(57)【要約】  レーザー励起分注システムのための材料供給キットについて開示する。材料供給キットは、繰り出しリールの周りに巻き付く光透過層を有する箔を供給する繰り出しリール、および箔を拾い上げる巻き取りリールを有する、カートリッジアセンブリを備える。材料供給キットはまた、箔が動いている間に、ドナー材料によって箔をコーティングする、コーティングデバイスも備える。【選択図】図１６−２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザー励起分注システムのための材料供給キットであって、
繰り出しリールの周りに巻き付く光透過層を有する箔を供給する前記繰り出しリール、および前記箔を拾い上げる巻き取りリールを有する、カートリッジアセンブリと、
前記箔が動いている間に、ドナー材料によって前記箔をコーティングする、コーティングデバイスと、を備える、材料供給キット。
【請求項２】
前記コーティングデバイスは、前記繰り出しリールから箔を継続的に受容する入口と、前記巻き取りリールによって拾い上げられるように、前記箔を継続的に放出する出口と、前記入口および前記出口の間にあるコーティング部分とを有し、前記ドナー材料による前記箔の前記コーティングは、前記コーティング部分の中で、前記ドナー材料によって下方から前記箔をコーティングするように構成される、請求項１に記載のキット。
【請求項３】
前記コーティングデバイスは、前記ドナー材料によって上方から前記箔をコーティングするように構成される、請求項１又は２に記載のキット。
【請求項４】
前記コーティングデバイスは、前記ドナー材料を前記箔上へ分注するノズルを備える、請求項１又は２記載のキット。
【請求項５】
前記コーティングデバイスは、前記ドナー材料を保持するための、前記入口および前記出口の下方に設置される空洞と、前記動いている間に、前記箔および前記ドナー材料の間に接触を確立するように、前記ドナー材料を上方へ付勢するバイアス機構とを備える、請求項２に記載のキット。
【請求項６】
前記バイアス機構は、プランジャーと、前記プランジャーを上方へ付勢する機械式バイアス部材とを備える、請求項５に記載のキット。
【請求項７】
前記バイアス機構は、プランジャーと、前記プランジャーを上方へ付勢するように、流体圧力を印加するポンプへ接続可能な圧力ポートとを備える、請求項５に記載のキット。
【請求項８】
前記コーティングデバイスは、前記ドナー材料を前記コーティングデバイスへ供給するために、ドナー材料の源へ接続可能なドナー材料入口を備える、請求項１〜７のいずれか一項に記載のキット。
【請求項９】
前記箔は、前記光透過層の上方に犠牲保護層を備え、前記カートリッジアセンブリは、前記箔の前記供給中に、前記犠牲保護層を持ち上げる持ち上げリールを備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載のキット。
【請求項１０】
前記箔は、前記ドナー材料への伝熱を可能にするために、前記光透過層の下方に熱伝導層を備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載のキット。
【請求項１１】
前記箔は、前記熱伝導層の下方にパッシベーション層を備える、請求項１０に記載のキット。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか一項に記載の材料供給キットと、
レーザービームの焦点を合わせるために構成される、光学素子を有する、照射ヘッドと、
前記箔の動きを確立するように前記カートリッジアセンブリを、および前記ドナー材料の液滴を前記箔から放出するために、前記コーティングデバイスの前記出口の下流の場所で、前記レーザービームの焦点を前記箔上に合わせるように前記光学素子を制御する、コントローラと、を備える、レーザー励起分注システム。
【請求項１３】
前記コントローラはまた、前記コーティングデバイスによって前記コーティングを起動および停止するためにも構成される、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記コントローラはまた、所定の比率で前記箔をコーティングするよう、前記コーティングデバイスを制御するためにも構成される、請求項１２および１３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１５】
前記放出に続いて、余分なドナー材料を前記箔から除去する、廃棄物コレクタをさらに備える、請求項１２〜１４のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１６】
前記照射ヘッドは、前記レーザービームを生成するために、前記照射ヘッドの本体上に取り付けられるレーザー光源を備える、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１７】
前記光学素子は、前記レーザービームを生成し、前記照射ヘッドの外部にあるレーザー光源から、前記照射ヘッドへ前記レーザービームを連結するために構成される、請求項１２〜１５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項１８】
前記連結は、前記レーザービームの直接伝播による、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記連結は、光導波路による、請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
それぞれ複数のレーザービームの焦点を生成する、複数の照射ヘッドがある、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２１】
前記レーザービームを前記照射ヘッドの中へ選択的に連結するよう、前記レーザービームを走査するために構成される、ビーム走査システムをさらに備える、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２２】
前記照射ヘッドのうちの少なくとも二つが、それぞれ複数のレーザービームの焦点を生成するために、光ノズルの配列を備え、前記少なくとも二つの照射ヘッドは、前記光ノズルの二次元配列を形成するように配設され、前記ビーム走査システムは、前記配列の前記光ノズルの中へ、前記レーザービームを選択的に連結するよう、前記レーザービームを二次元的に走査するために構成される、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記照射ヘッドは、それぞれ複数のレーザービームの焦点を生成するために、光ノズルの配列を備え、前記システムは、前記光ノズルの中へ前記レーザービームを選択的に連結するよう、前記レーザービームを走査するために構成されるビーム走査システムを備える、請求項１２〜１９のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２４】
前記連結は、光カプラ上に丸い形状を形成するように配設される、複数の光導波路による、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記複数の光導波路の進入ポート上へ、前記光ビームの焦点を順次合わせるように構成される、回転ミラーをさらに備える、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記複数の光導波路は、前記光カプラの隣接する進入ポートが、前記ヘッド上の隣接しない退出ポートに対応するように交差する、請求項２４および２５のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２７】
前記ビーム走査システムは、前記照射ヘッドの外部にある、請求項２２および２１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２８】
前記コーティングデバイスは、異なるドナー材料を各々包含する、複数の縦に移動可能な空洞を備え、前記コントローラは、それぞれの空洞の中で前記箔とドナー材料との間の接触を断続的に生成するよう、前記空洞を縦に変位させるために構成される、請求項１２〜２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項２９】
前記コーティングデバイスは、前記コーティングの前に異なる空洞からのドナー材料を混合するために、前記空洞の各々と流体連通する混合室を備え、前記コントローラは、前記空洞内の個別の圧力を制御するために構成され、前記個別の圧力は、前記ドナー材料間に所定の混合比を提供するように選択される、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
前記コーティングデバイスは、異なるドナー材料を各々包含する、複数の空洞と、前記コーティングの前に異なる空洞からのドナー材料を混合するために、前記空洞の各々と流体連通する混合室とを備え、前記コントローラは、前記空洞内の個別の圧力を制御するために構成され、前記個別の圧力は、前記ドナー材料間に所定の混合比を提供するように選択される、請求項１２〜２７のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３１】
導管を介して前記コーティングデバイスへ接続可能なドナー材料の源と、前記導管の中に前記ドナー材料の流れを確立する双方向ポンプとをさらに備え、前記コントローラは、時間的に選択して前記双方向ポンプを制御するように構成される、請求項１２〜３０のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３２】
前記コントローラは、前記箔上の前記ドナー材料の厚さを変化させるよう、前記コーティングデバイスを制御するように構成される、請求項１２〜３１のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３３】
前記箔が、前記レーザービームと相互作用する前に、前記箔の一部分を原位置で撮像する撮像デバイスをさらに備える、請求項１２〜３２のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３４】
前記ドナー材料を冷却する冷却要素をさらに備える、請求項１２〜３３のいずれか一項に記載のシステム。
【請求項３５】
前記冷却は、前記ドナー材料の凍結温度を上回るが、前記凍結温度から５℃未満の範囲内の温度までである、請求項３４に記載のシステム。
【請求項３６】
レシーバ基体上にドナー材料を分注する方法であって、請求項１２〜３５のいずれか一項に記載の前記システムの前記箔の下方に、前記レシーバ基体を置くことと、前記箔から前記レシーバ基体へ前記ドナー材料を放出するように、前記システムを操作することと、を含む、方法。
【請求項３７】
前記基体を前記ドナー材料によってパターニングするために、前記基体と前記照射ヘッドとの間に、相対的な横の動きを確立することをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記基体上に三次元物体を形成するように、前記基体と前記照射ヘッドとの間に、相対的な横および縦の動きを確立することをさらに含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３９】
前記ドナー材料は、有機物を含む、請求項３６〜３８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４０】
前記ドナー材料は、無機物を含む、請求項３６〜３９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４１】
前記ドナー材料は、金属を含む、請求項３６〜４０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４２】
前記ドナー材料は、誘電材料を含む、請求項３６〜４１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４３】
前記ドナー材料は、生物材料を含む、請求項３６〜４２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４４】
前記ドナー材料は、金属酸化物を含む、請求項３６〜４３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４５】
前記ドナー材料は、磁性材料を含む、請求項３６〜４４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４６】
前記ドナー材料は、半導体材料を含む、請求項３６〜４５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４７】
前記ドナー材料は、ポリマーを含む、請求項３６〜４６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４８】
上にドナー材料を有する、第１基体と、
前記ドナー材料の液滴を前記基体から放出するため、前記基体上にレーザービームの焦点を合わせるために構成される光学素子を有する、照射ヘッドと、
前記ドナー材料を冷却する、冷却要素と、を備える、レーザー励起分注システム。
【請求項４９】
第１基体上のドナー材料を冷却することと、
前記ドナー材料の液滴を、前記第１基体からレシーバ基体上へ放出するために、前記第１基体上にレーザービームの焦点を合わせることと、を含む、ドナー材料を分注する方法。
【請求項５０】
前記冷却は、前記ドナー材料の凍結温度を上回るが、前記凍結温度から５℃未満の範囲内の温度までである、請求項４８および４９のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５１】
前記第１基体は、箔である、請求項４８〜５０のいずれか一項に記載のシステムまたは方法。
【請求項５２】
材料加工用のレーザー励起分注システムであって、
ファイバ束の第１インターフェースでレーザー光源からレーザービームを受信し、前記ファイバ束の第２インターフェースから前記レーザービームを発信するように構成される、光ファイバを有する、前記ファイバ束であって、前記光ファイバは、前記第１インターフェースに配設される第１端部と、前記第２インターフェースに配設される第２端部とを有する、ファイバ束と、
前記光ファイバによって前記第２インターフェースから発信される前記レーザービームを、基体上に沈着する材料へ方向付けるように構成される、光学素子と、を備え、
前記光学素子は、前記沈着する材料上に前記レーザービームの焦点を合わせるように構成され、それによって、前記沈着する材料を前記基体上へ放出させ、
前記光ファイバの各々は、前記第１インターフェースにある前記光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する前記光ファイバのすべてが、前記第２インターフェースにある前記光ファイバのうちの前記別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように、配設される、レーザー励起分注システム。
【請求項５３】
前記光学素子を含む、プリントヘッドをさらに備え、
前記レーザー光源は、前記プリントヘッドの外部に提供される、外部レーザー光源である、請求項５２に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項５４】
前記光ファイバの前記第１端部は、前記第１インターフェースに多角形構成で配設され、
前記光ファイバの前記第２端部は、前記第２インターフェースに多角形構成で配設される、請求項５２に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項５５】
前記光ファイバの前記第１端部は、前記第１インターフェースに円形、楕円形および長円形構成のうちの一つで配設され、
前記光ファイバの前記第２端部は、前記第２インターフェースに多角形構成で配設される、請求項５２に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項５６】
前記レーザー光源から出力されるレーザービームを、外部レンズ配列のレンズ素子上へ選択的に連結するために、前記レーザー光源からの前記レーザービームを走査するように構成される、ビーム走査システムであって、前記第１インターフェースにある前記光ファイバの前記第１端部の中へ、前記出力されるレーザービームを発信することによって、前記出力されるレーザービームを、それぞれの光ファイバの中へ連結する、ビーム走査システムを、さらに備える、請求項５５に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項５７】
前記ビーム走査システムは、
モータと、
前記モータへ接続する、シャフトと、
前記シャフトの回転軸に対する角度で配向するために、前記シャフトの端部に取り付けられる、上流側反射ミラーと、を備え、
前記シャフトは、前記反射ミラーを回転させるために回転するよう構成され、それによって、前記第１インターフェースにある前記光ファイバの前記第１端部の中へ、前記出力されるレーザービームの焦点を順次合わせる、請求項５６に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項５８】
前記モータは、定速で回転する、請求項５６に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項５９】
光ノズルの対応する配列に接続する、前記第２インターフェースにある前記光ファイバの前記第２端部をさらに備え、前記光ノズルは、前記沈着する材料上に焦点が合うように構成される、それぞれのレーザービームの焦点を生成する、請求項５６に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６０】
前記光ノズルの各々は、前記第２インターフェースにある前記光ファイバの前記第２端部から発信される、それぞれのレーザービームの焦点を合わせるように構成される、それぞれの下流側集束素子を含む、請求項５９に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６１】
前記光ファイバは、マルチモード光ファイバである、請求項５２に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６２】
前記光ファイバの各々は、少なくとも２５μｍのコア径、および少なくとも６５μｍのクラッド径を有する、請求項６１に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６３】
前記光ノズルの配列は、前記出力されるレーザービームが、前記第１インターフェースにある前記光ファイバの前記第１端部の中へ連結されるとき、連続放射されるレーザービームが、前記光ノズルの配列のうちの隣接しない光ノズルから放射されるように構成される、請求項５９に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６４】
光ノズルの対応する配列に接続する、前記第２インターフェースにある前記光ファイバの前記第２端部であって、前記光ノズルは、前記沈着する材料上に焦点が合うように構成される、それぞれのレーザービームの焦点を生成する、第２端部を、さらに備え、
前記光ノズルの各々は、前記第２インターフェースにある前記光ファイバの前記第２端部から発信される、それぞれのレーザービームの焦点を合わせるように構成される、それぞれの下流側集束素子を含む、請求項５７に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６５】
前記光ノズルの配列と、前記第２インターフェースから発信される前記レーザービームを連結する、光カプラとを含む、プリントヘッドをさらに備え、
前記レーザー光源は、前記プリントヘッドの外部に提供される、外部レーザー光源である、請求項６４に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６６】
前記外部レーザーは、パルスレーザーである、請求項６５に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６７】
前記プリントヘッドは、光ノズルのそれぞれの配列を有する、複数の離れたプリントヘッドによって画定される、請求項６４に記載のレーザー励起分注システム。
【請求項６８】
材料加工プリンタ用のファイバ束であって、
第１インターフェースでレーザービームを受信し、前記レーザービームを第２インターフェースへ発信するように構成される、光ファイバを有する、ファイバ束であって、前記光ファイバは、前記第１インターフェースに配設される第１端部と、前記第２インターフェースに配設される第２端部とを有する、ファイバ束を備え、
前記光ファイバの各々は、前記第１インターフェースにある前記光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する前記光ファイバのすべてが、前記第２インターフェースにある前記光ファイバのうちの前記別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように、配設される、ファイバ束。
【請求項６９】
前記光ファイバは、マルチモード光ファイバである、請求項６８に記載のファイバ束。
【請求項７０】
前記光ファイバの前記第１端部は、前記第１インターフェースに多角形構成で配設され、
前記光ファイバの前記第２端部は、前記第２インターフェースに多角形構成で配設される、請求項６９に記載のファイバ束。
【請求項７１】
前記光ファイバの前記第１端部は、前記第１インターフェースに円形、楕円形および長円形構成のうちの一つで配設され、
前記光ファイバの前記第２端部は、前記第２インターフェースに多角形構成で配設される、請求項６９に記載のファイバ束。
【請求項７２】
ドナー材料をレシーバ基体上に分注する方法であって、
レーザービームをレーザー光源から出力することと、
ファイバ束の第１インターフェースで前記レーザービームを受信し、前記ファイバ束の第２インターフェースから前記レーザービームを発信する光ファイバを有する、前記ファイバ束を提供することであって、前記光ファイバの第１端部を前記第１インターフェースに配設し、前記光ファイバの第２端部を前記第２インターフェースに配設する、ことと、
前記第１インターフェースにある前記光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する前記光ファイバのすべてが、前記第２インターフェースにある前記光ファイバのうちの前記別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように、前記光ファイバの各々を配設することと、
前記光ファイバにより前記第２インターフェースから発信される前記レーザービームを、受容基体上に沈着するドナー材料へ方向付ける、光学素子を提供することと、を含み、
前記光学素子は、前記ドナー材料上に前記レーザービームの焦点を合わせ、それによって、前記ドナー材料の液滴を、前記レシーバ基体上へ放出させ沈着させる、方法。
【請求項７３】
前記焦点を合わせたレーザービームから、前記ドナー材料により吸収されるエネルギーによって、前記ドナー材料の前記液滴を放出させるような所定の強度で、前記ドナー材料上に前記レーザービームの焦点を合わせることを、さらに含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
前記ドナー材料の連続する液滴の各々は、隣接しない順序で放出される、請求項７２に記載の方法。
【請求項７５】
前記ドナー材料は、光透過層を有する箔へ塗布され、前記レーザービームは、前記光透過層を通って前記ドナー材料上に焦点を合わせ、前記焦点を合わせたレーザービームのうち、連続放射されるレーザービームの各々は、前記液滴を隣接させずに放出させるために、前記隣接しない順序で前記光ファイバの前記第２端部から放射される、請求項７２に記載の方法。
【請求項７６】
前記第１インターフェースにある前記光ファイバの前記第１端部を、円形、楕円形および長円形構成のうちの一つに配設することと、
前記第２インターフェースにある前記光ファイバの前記第２端部を、多角形構成に配設することと、をさらに含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項７７】
レーザー励起分注システムのための材料供給キットであって、
筺体、繰り出しリールの周りに巻き付く光透過層を有する箔を供給する前記繰り出しリール、および前記箔を拾い上げる巻き取りリールを含む、カートリッジアセンブリであって、
前記繰り出しリールおよび前記巻き取りリールは、前記筺体内に取り付けられる、カートリッジアセンブリと、
前記箔が動いている間に、ドナー材料によって前記箔をコーティングする、コーティングデバイスであって、
前記コーティングデバイスは、取り外し可能なように前記カートリッジアセンブリへ接続する、コーティングデバイスと、を備える、材料供給キット。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１６年７月１７日出願の米国仮特許出願第６２／３６３，２７８号の利益を主張し、参照することによって、その全体が本明細書に明示的に援用される。
【０００２】
本開示の一部実施形態では、本開示は材料分注に関し、より具体的には、レーザー励起材料分注に関するが、これに限るものではない。
【背景技術】
【０００３】
特定の目的のために、幅広い様々な材料をパターニングする能力によって、多くの技術が可能となり、促進または改善される。材料にパターンを画定する、または材料を所望のパターンで沈着させるのに使用されてもよい、パターニング手法の例は、コンタクトリソグラフィ、投影リソグラフィ、スクリーン印刷、インクジェット印刷および様々な直接描画技術を含む。
【０００４】
直接描画技術は、従来のリソグラフィプロセスに通常必要とされるように、マスクを生み出す中間ステップなしに、迅速に材料を沈着させ、パターンを材料に画定させることを可能にする点で、有利であるとみなされている。いくつかの直接描画技術が知られている。これらは、インクジェット印刷、レーザー化学蒸着（ＬＣＶＤ）、レーザー操作によるナノ成形（ＬＥＮＳ：ｌａｓｅｒ  ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  ｎａｎｏ−ｓｈａｐｉｎｇ）およびレーザー誘起前方転写（ＬＩＦＴ）を含む。
【０００５】
ＬＩＦＴでは、パルスレーザービームは、対象基体の反対側でコーティングされる材料の薄膜を突くように、レーザー透過性対象基体を通って方向付けられる。薄膜材料がレーザー光線を吸収すると、レーザーで薄膜材料が蒸発し、運動量の移行によって、材料は対象基体から除去され、対象基体に近接して置かれる、受容する基体上に再沈着される。
【０００６】
レーザー誘起前方転写は、通常金属といった不透明な薄い膜を、事前にコーティングされたレーザー透過性支持部から、受容する基体へ移動させるように通常使用される。レーザー誘起前方転写を用いる様々な装置が知られている。例えば、米国公開出願第２０１４０１６０４５２号は、材料沈着の継続を可能にするように、ドナーをリフレッシュする装置について開示している。リフレッシュは、暴露中に使用されるドナー構造に代わる新規ドナー構造による置換、ドナー構造上のドナー材料の再生、巻かれる柔軟膜の使用、または新たなドナー構造を沈着エリアへ輸送する搬送システムの使用であり得る。
【０００７】
さらに、従来のＬＩＦＴシステムは、ゆっくりで高価であり、概して、レシーバ基体上に単一材料を沈着することができるのみである。
【０００８】
大抵「ＬＩＦＴシステム」手法およびその長期頑健性要件は、恒久的な部品のみを使用する継続的な送達に最適化するように、すべての革新者を導いてきた。この制約によって、多材料、材料の混合および可変コーティング厚を送達する能力という点で、システムの複雑性が増大し柔軟性が低減する。
【０００９】
さらに、例えば、従来のＬＩＦＴシステムでは、レーザーが大きく、プリントヘッドの一部を形成しており、そのため、プリントヘッドを小型にすることができない（すなわち、レーザーがプリントヘッドに統合されているため）。さらに、基体上へのドナー材料の液滴の連続沈着と、スキャナの直線運動との間の待機時間によって、従来のＬＩＦＴプリントヘッドがゆっくりになる。そのため、従来のＬＩＦＴシステムを合理的な速度で操作するためには、非常に高価な光学素子を、従来のＬＩＦＴシステムに提供しなくてはならない。
【００１０】
また、従来のＬＩＦＴシステムには、二つの液滴を互いの隣に沈着させるとき、液滴と液滴との間で数ミリ秒待機する必要があるという欠点がある。この時間中、材料による障害を避けるために、印刷を行うことができない。この待機時間または「緩和時間」は、ＬＩＦＴシステムの処理能力を低減するため不利となる。
【００１１】
さらなる背景技術は、米国特許第４，７５２，４５５号、第４，８９５，７３５号、第５，７２５，７０６号、第５，２９２，５５９号、第５，４９２，８６１号、第５，７２５，９１４号、第５，７３６，４６４号、第４，９７０，１９６号および第５，１７３，４４１号に含まれている。
【発明の概要】
【００１２】
本開示の一部実施形態の特徴に従い、レーザー励起分注システムのための材料供給キットが提供される。材料供給キットは、繰り出しリールの周りに巻き付く光透過層を有する箔を供給する繰り出しリール、および箔を拾い上げる巻き取りリールを有する、カートリッジアセンブリと、箔が動いている間に、ドナー材料によって箔をコーティングする、コーティングデバイスとを備える。
【００１３】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、繰り出しリールから箔を継続的に受容する入口と、巻き取りリールによって拾い上げられるように、箔を継続的に放出する出口と、入口および出口の間にあるコーティング部分とを有し、ドナー材料による箔のコーティングは、コーティング部分の中にある。
【００１４】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、ドナー材料によって下方から箔をコーティングするように構成される。
【００１５】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、ドナー材料によって上方から箔をコーティングするように構成される。
【００１６】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、ドナー材料を箔上へ分注するノズルを備える。
【００１７】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、ドナー材料を保持するための、入口および出口の下方に設置される空洞と、動いている間に、箔およびドナー材料の間に接触を確立するように、ドナー材料を上方へ付勢するバイアス機構とを備える。
【００１８】
本開示の一部実施形態に従い、バイアス機構は、プランジャーと、プランジャーを上方へ付勢する機械式バイアス部材とを備える。
【００１９】
本開示の一部実施形態に従い、バイアス機構は、プランジャーと、プランジャーを上方へ付勢するように、流体圧力を印加するポンプへ接続可能な圧力ポートとを備える。
【００２０】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、ドナー材料をコーティングデバイスへ供給するために、ドナー材料の源へ接続可能なドナー材料入口を備える。
【００２１】
本開示の一部実施形態に従い、箔は、光透過層の上方に犠牲保護層を備え、カートリッジアセンブリは、箔の供給中に、犠牲保護層を持ち上げる持ち上げリールを備える。
【００２２】
本開示の一部実施形態に従い、箔は、ドナー材料への伝熱を可能にするために、光透過層の下方に熱伝導層を備える。
【００２３】
本開示の一部実施形態に従い、箔は、熱伝導層の下方にパッシベーション層を備える。
【００２４】
本開示の一部実施形態の特徴に従い、レーザー励起分注システムが提供される。レーザー励起分注システムは、材料供給キットと、レーザービームの焦点を合わせるために構成される光学素子を有する、照射ヘッド（例えば、プリントヘッド）とを備える。レーザー励起分注システムはまた、箔の動きを確立するようにカートリッジアセンブリと、ドナー材料の液滴を箔から放出するために、コーティングデバイスの出口の下流の場所で、レーザービームの焦点を箔上に合わせるように光学素子とを制御する、コントローラを備えてもよい。
【００２５】
開示の一部実施形態に従い、システムは、ドナー材料を冷却する冷却要素を備える。
【００２６】
本開示の一部実施形態の特徴に従い、レーザー励起分注システムが提供される。レーザー励起分注システムは、上にドナー材料を有する第１基体と、ドナー材料の液滴を基体から放出するよう、基体上にレーザービームの焦点を合わせるために構成される光学素子を有する照射ヘッドと、ドナー材料を冷却する冷却要素とを備える。本開示の一部実施形態に従い、第１基体は箔である。
【００２７】
本開示の一部実施形態に従い、コントローラはまた、コーティングデバイスによってコーティングを起動および停止するためにも構成される。
【００２８】
開示の一部実施形態に従い、コントローラはまた、所定の比率で箔をコーティングするよう、コーティングデバイスを制御するためにも構成される。
【００２９】
本開示の一部実施形態に従い、システムは、放出に続いて、余分なドナー材料を箔から除去する、廃棄物コレクタを備える。
【００３０】
本開示の一部実施形態に従い、照射ヘッドは、レーザービームを生成するために、照射ヘッドの本体上に取り付けられるレーザー光源を備える。
【００３１】
本開示の一部実施形態に従い、光学素子は、レーザービームを生成し、照射ヘッドの外部にあるレーザー光源から、照射ヘッドへレーザービームを連結するために構成される。
【００３２】
本開示の一部実施形態に従い、連結はレーザービームの直接伝播による、システム。
【００３３】
本開示の一部実施形態に従い、連結は光導波路による、システム。
【００３４】
本開示の一部実施形態に従い、それぞれ複数のレーザービームの焦点を生成する、複数の照射ヘッドがある。
【００３５】
本開示の一部実施形態に従い、システムは、レーザービームを照射ヘッドの中へ選択的に連結するよう、レーザービームを走査するために構成される、ビーム走査システムを備える。
【００３６】
本開示の一部実施形態に従い、照射ヘッドのうちの少なくとも二つは、それぞれ複数のレーザービームの焦点を生成するために、光ノズルの配列を備える。これらの実施形態では、照射ヘッドは、光ノズルの二次元配列を形成するように配設され、ビーム走査システムは、配列の光ノズルの中へ、レーザービームを選択的に連結するよう、レーザービームを二次元的に走査するために構成される。
【００３７】
本開示の一部実施形態に従い、照射ヘッドは、それぞれ複数のレーザービームの焦点を生成するために、光ノズルの配列を備える。これらの実施形態では、システムは、光ノズルの中へレーザービームを選択的に連結するよう、レーザービームを走査するために構成されるビーム走査システムを備える。
【００３８】
本開示の一部実施形態に従い、連結は、光カプラ上に丸い形状（例えば、円形、楕円形、長円形など）を形成するように配設される、複数の光導波路による。
【００３９】
本開示の一部実施形態に従い、システムは、複数の光導波路の進入ポート上へ、光ビームの焦点を順次合わせるように構成される、回転ミラーを備える。
【００４０】
本開示の一部実施形態に従い、光導波路は、光カプラの隣接する進入ポートが、ヘッド上の隣接しない退出ポートに対応するように交差する。
【００４１】
本開示の一部実施形態に従い、ビーム走査システムは、照射ヘッドの外部にある。
【００４２】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、異なるドナー材料を各々包含する、複数の縦に移動可能な空洞を備え、コントローラは、それぞれの空洞の中で箔とドナー材料との間の接触を断続的に生成するよう、空洞を縦に変位させるために構成される。
【００４３】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、コーティングの前に異なる空洞からのドナー材料を混合するために、空洞の各々と流体連通する混合室を備え、コントローラは、空洞内の個別の圧力を制御するために構成される。個別の圧力は、任意でかつ好ましくは、ドナー材料間に所定の混合比を提供するように選択される。
【００４４】
本開示の一部実施形態に従い、コーティングデバイスは、異なるドナー材料を各々包含する、複数の空洞と、コーティングの前に異なる空洞からのドナー材料を混合するために、空洞の各々と流体連通する混合室とを備える。これらの実施形態では、コントローラは、空洞内の個別の圧力を制御するために構成される。個別の圧力は、任意でかつ好ましくは、ドナー材料間に所定の混合比を提供するように選択される。
【００４５】
本開示の一部実施形態に従い、システムは、導管を介してコーティングデバイスへ接続可能なドナー材料の源と、導管の中にドナー材料の流れを確立する双方向ポンプとを備え、コントローラは、時間的に選択して双方向ポンプを制御するように構成される。
【００４６】
本開示の一部実施形態に従い、コントローラは、箔上のドナー材料の厚さを変化させるよう、コーティングデバイスを制御するように構成される。
【００４７】
本開示の一部実施形態に従い、システムは、箔が、レーザービームと相互作用する前に、箔の一部分を原位置で撮像する撮像デバイスを備える。
【００４８】
本発明の一部実施形態の特徴に従い、ドナー材料をレシーバ基体上に分注する方法が提供される。方法は、レーザー励起分注システムの箔の下方に、レシーバ基体を置くことと、箔からレシーバ基体へドナー材料を放出するように、レーザー励起分注システムを操作することとを含む。
【００４９】
本発明の一部実施形態の特徴に従い、ドナー材料を分注する方法が提供される。方法は、第１基体上のドナー材料を冷却することと、ドナー材料の液滴を、第１基体からレシーバ基体上へ放出するために、第１基体上にレーザービームの焦点を合わせることと、を含む。発明の一部実施形態の特徴に従い、第１基体は箔である。
【００５０】
本開示の一部実施形態に従い、方法は、基体をドナー材料によってパターニングするために、基体と照射ヘッドとの間に相対的な横の動きを確立することを含む。
【００５１】
本開示の一部実施形態に従い、方法は、基体上に三次元物体を形成するように、基体と照射ヘッドとの間に相対的な横および縦の動きを確立することを含む。
【００５２】
本開示の一部実施形態に従い、冷却は、ドナー材料の凍結温度を上回るが、凍結温度から５℃未満の範囲内の温度までである。
【００５３】
本開示の非限定的な特徴に従い、材料加工用のレーザー励起分注システムは、ファイバ束の第１インターフェースでレーザー光源からレーザービームを受信し、ファイバ束の第２インターフェースからレーザービームを発信するように構成される、光ファイバを有する、光ファイバ束を含んでもよい。さらに、光ファイバは、第１インターフェースに配設される第１端部と、第２インターフェースに配設される第２端部とを有してもよい。加えて、光ファイバによって第２インターフェースから発信されるレーザービームを、基体上に沈着する材料へ方向付けるように構成される、光学素子が提供されてもよい。さらに、光学素子は、沈着する材料上にレーザービームの焦点を合わせ、結果として、沈着する材料を基体上へ放出させるように構成されてもよい。また、本開示の特徴に従い、光ファイバの各々は、第１インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する光ファイバのすべてが、第２インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように配設されてもよい。
【００５４】
本開示の別の非限定的な特徴では、レーザー励起分注システムは、光学素子を含むプリントヘッドを有してもよく、レーザー光源は、プリントヘッドの外部に提供される外部レーザー光源であってもよい。
【００５５】
加えて、光ファイバの第１端部は、第１インターフェースに多角形構成で配設されてもよく、光ファイバの第２端部は、第２インターフェースに多角形構成で配設されてもよい。
【００５６】
さらなる非限定的な特徴では、光ファイバの第１端部は、第１インターフェースに円形、楕円形および長円形構成のうちの一つで配設されてもよく、光ファイバの第２端部は、第２インターフェースに多角形構成で配設されてもよい。
【００５７】
加えて、ビーム走査システムは、レーザー光源から出力されるレーザービームを、外部レンズ配列のレンズ素子上へ選択的に連結するために、レーザー光源からのレーザービームを走査するように提供されてもよく、第１インターフェースにある光ファイバの第１端部の中へ、出力されるレーザービームを発信することによって、出力されるレーザービームをそれぞれの光ファイバの中へ連結する。
【００５８】
ビーム走査システムはまた、モータと、モータへ接続するシャフトと、シャフトの回転軸に対する角度で配向するために、シャフトの端部に取り付けられる反射ミラーとを含んでもよい。それに応じて、シャフトは、反射ミラーを回転させるために回転し、結果として、第１インターフェースにある光ファイバの第１端部の中へ、出力されるレーザービームを順次反射するように構成されてもよい。さらに、モータは定速で回転してもよい。代替として、モータは、可変速度で回転してもよく、またはモータの定速が、モータの回転中に変化してもよい。
【００５９】
加えて、本開示のさらなる特徴として、第２インターフェースにある光ファイバの第２端部は、沈着する材料上に焦点が合うように構成される、それぞれのレーザービームの焦点を生成する、光ノズルの対応する配列に接続してもよい。
【００６０】
さらに、光ノズルの各々はまた、第２インターフェースに提供される光ファイバの第２端部から発信される、それぞれのレーザービームの焦点を合わせるように構成される、それぞれの集束素子を含んでもよい。
【００６１】
また、本開示の特徴に従い、光ファイバは、マルチモード光ファイバであってもよい。加えて、光ファイバの各々は、少なくとも２５μｍのコア径、および少なくとも６５μｍのクラッド径を有してもよい。
【００６２】
さらに、光ノズルの配列は、出力されるレーザービームが、第１インターフェースにある光ファイバの第１端部の中へ連結されるとき、連続放射されるレーザービームが、光ノズルの配列のうちの隣接しない光ノズルから放射されるように構成されてもよい。加えて、レーザービームを放射する光ファイバの配列のうちの隣接しない光ファイバは、レーザービームのみが、所定の光ファイバの進入ポートに入光するように、レーザーのパルスを調整することによって判定されてもよい。例えば、レーザーのパルスは、レーザービームが、一つおきの光ファイバの進入ポートに受容のみされるように設定されてもよい。さらに、レーザーのパルスは、レーザービームが、特定数またはいかなる所望の数の光ファイバによって受容されるように調整されてもよいことは、理解されるべきである。
【００６３】
また、本開示のさらなる非限定的な特徴に従い、第２インターフェースにある光ファイバの第２端部は、光ノズルの対応する配列に接続し、光ノズルは、沈着する材料上に焦点が合うように構成される、それぞれのレーザービームの焦点を生成する。さらに、光ノズルの各々は、光ファイバの第２端部から発信される、それぞれのレーザービームの焦点を合わせるように構成される、それぞれの集束素子を含んでもよい。
【００６４】
加えて、光ノズルの配列と、第２インターフェースから発信されるレーザービームを連結する光カプラとを含む、プリントヘッドが提供されてもよい。また、レーザー光源は、プリントヘッドの外部に提供される、外部レーザー光源であってもよい。さらに、プリントヘッドは、光ノズルのそれぞれの配列を有する、複数の離れたプリントヘッドによって画定されてもよい。
【００６５】
本開示の別の非限定的な特徴として、材料加工プリンタ用のファイバ束は、第１インターフェースでレーザービームを受信し、レーザービームを第２インターフェースへ発信するように構成される、光ファイバを有するファイバ束を含んでもよく、光ファイバは、第１インターフェースに配設される第１端部と、第２インターフェースに配設される第２端部とを有する。さらに、光学式の各々は、第１インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する光ファイバのすべてが、第２インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように配設されてもよい。
【００６６】
加えて、ファイバ束の光ファイバは、マルチモード光ファイバであってもよい。
【００６７】
また、パルスレーザーの代替として、継続するレーザービームを中断するのに、シャッター機構が使用されてもよい。シャッター機構には、レーザー光源からのレーザービームが、第１インターフェースに提供される所望の光ファイバのみに入光することが、選択的に可能になるように開閉する開口部を提供する可能性がある。例えば、シャッター機構は、継続するレーザーにより生成されるレーザービームを中断するために、レーザービームの経路の内外に選択的に位置する光シャッターとして、レーザー光源上に提供される可能性がある。
【００６８】
さらに、パルスは、レーザービームが所望の光ファイバによって受容されることを保証するように、モータの回転速度と同期してもよい。レーザーのパルスおよび／またはモータの速度は、同期に必要であってもよい適切な値に変化してもよい。
【００６９】
また、光ファイバ束の光ファイバのうちの少なくとも１本は、光検出器へ接続してもよい。例えば、走査システムの精度（または同期）は、光ファイバ束の光ファイバのうちの２本を、光検出器へ接続することによって保証されてもよい。いかなる数の光ファイバが、いかなる数の光検出器へ接続してもよいことは理解されるべきである。例えば、２本の光ファイバの各々は、同じまたはそれぞれの光検出器へ接続してもよい。結果として、レーザー周波数と走査速度との間の整合または一致は、必要であれば、保証され補正され得る。例えば、毎回レーザービームは、光検出器へ接続する少なくとも１本の光ファイバの中へ連結され、例えば、走査システムの光学ミラーの位置は、受信される情報に基づき判定され得る（複数の光ファイバが、より多くの光検出器のうちの一つへ接続するとき、同じことが言える）。
【００７０】
さらに、光ファイバの第１端部は、第１インターフェースに多角形構成で配設されてもよく、光ファイバの第２端部は、第２インターフェースに多角形構成で配設されてもよい。
【００７１】
また、本開示の非限定的な特徴に従い、光ファイバの第１端部は、第１インターフェースに円形、楕円形および長円形構成のうちの一つで配設されてもよく、光ファイバの第２端部は、第２インターフェースに多角形構成で配設されてもよい。
【００７２】
加えて、ドナー材料をレシーバ基体上に分注する方法が、提供されてもよい。例えば、方法は、レーザービームをレーザー光源から出力することと、ファイバ束の第１インターフェースでレーザービームを受信する光ファイバを有する、ファイバ束を提供し、ファイバ束の第２インターフェースからレーザービームを発信することと、光ファイバの第１端部を第１インターフェースに配設し、光ファイバの第２端部を第２インターフェースに配設することとを含んでもよい。非限定的な特徴として、光ファイバの各々は、第１インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する光ファイバのすべてが、第２インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように配設されてもよい。さらに、光ファイバによって第２インターフェースから発信されるレーザービームを、受信基体上に沈着するドナー材料へ方向付ける、光学素子がまた提供されてもよい。加えて、光学素子によって、ドナー材料上にレーザービームの焦点を合わせてもよく、それによって、ドナー材料の液滴を、レシーバ基体上へ放出させ沈着させる。
【００７３】
また、レーザービームは、ドナー材料により、焦点を合わせたレーザービームから吸収されるエネルギーによって、ドナー材料の液滴を放出させるような所定の強度で、ドナー材料上に焦点を合わせてもよい。さらに、ドナー材料の連続する液滴の各々は、隣接しない順序で放出されてもよい。
【００７４】
加えて、別の非限定的な特徴に従い、ドナー材料は、光透過層を有する箔へ塗布されてもよい。さらに、レーザービームは、光透過層を通ってドナー材料上に焦点を合わせてもよく、焦点を合わせたレーザービームのうち、連続放射されるレーザービームの各々は、液滴を隣接させずに放出させるために、隣接しない順序で光ファイバの第２端部から放射されてもよい。
【００７５】
さらに、本開示の方法の非限定的な特徴に従い、第１インターフェースにある光ファイバの第１端部は、円形、楕円形および長円形構成のうちの一つに配設されてもよく、光ファイバの第２端部は、第２インターフェースに多角形構成で配設されてもよい。
【００７６】
さらに、本開示の特徴に従い、様々な印刷システムに組み込まれ得る、独立型プリントヘッドが提供される。例えば、プリントヘッドからレーザーを切り離し得るように、光ファイバ束を提供する理由で提供される。
【００７７】
本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は有機物を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は無機物を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は金属を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は誘電材料を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は生物材料を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は金属酸化物を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は磁性材料を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料は半導体材料を含む。本開示の一部実施形態に従い、ドナー材料はポリマーを含む。
【００７８】
別途定義しない限り、本明細書に使用する技術用語および／または科学用語のすべては、本開示が関連する当該技術分野の当業者により、共通して理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載するものと類似するまたは同等の方法および材料が、本開示の実施形態の実践または試験に使用され得るものの、例示的な方法および／または材料を以下に記載する。矛盾する場合には、定義を含む特許の明細書が統制するであろう。加えて、材料、方法および実施例は、説明のみであり、必ずしも限定することを意図していない。
【００７９】
発明の実施形態の方法および／またはシステムの実装は、手動で、自動でもしくはそれらの組み合わせで選択される作業を実施または完了することに関与し得る。その上に、発明の方法および／またはシステムの実施形態の実際の器具使用および機器に従い、いくつかの選択される作業は、ハードウェアによって、ソフトウェアによってもしくはファームウェアによって、またはオペレーティングシステムを使用するそれらの組み合わせによって、実装される可能性がある。
【００８０】
例えば、本開示の実施形態に従い、選択される作業を実施するハードウェアは、チップまたは回路として実装される可能性がある。ソフトウェアのように、本開示の実施形態に従い選択される作業は、いかなる好適なオペレーティングシステムを使用するコンピュータにより実行されている、複数のソフトウェアの指示として実装される可能性がある。本開示の例示的実施形態では、本明細書に記載する通りの方法および／またはシステムの例示的実施形態に従う、一つ以上の作業は、複数の指示を実行するコンピューティングプラットフォームなど、データプロセッサによって実施される。任意で、データプロセッサは、指示および／もしくはデータを記憶する揮発性メモリ、ならびに／または、例えば、磁気ハードディスクおよび／もしくは取り外し可能な媒体といった、指示および／もしくはデータを記憶する不揮発性記憶装置を含む。任意でネットワーク接続も提供される。ディスプレイおよび／またはキーボードもしくはマウスなどのユーザ入力デバイスも、任意で提供される。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
本開示の一部実施形態について、添付の図面を参照して、例としてのみ本明細書に記載する。特にここで詳細な図面に関連して、示す詳細は例としてのみであり、本開示の実施形態を図解で議論するためであることを強調しておく。この点において、図面と共になされる記載は、本開示の実施形態をどのように実践することができるかを、当業者に明らかにする。
【００８２】
【図１】図１Ａおよび１Ｂは、本発明のいくつかの実施形態に従う、レーザー励起分注システムのための材料供給キットの概略図である。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、発明のいくつかの実施形態に従う、レーザー励起分注システムの概略図である。
【図３】図３Ａ〜Ｃは、発明のいくつかの実施形態に従う、カートリッジアセンブリを示す概略図である。
【図４】図４Ａ〜Ｃは、発明のいくつかの実施形態に従う、コーティングデバイスの概略図である。
【図５−１】図５Ａ〜Ｉは、コーティングデバイスがドナー材料を保持する空洞を備える、発明の実施形態におけるコーティングデバイスの原理および動作について記載する概略図である。
【図５−２】同上。
【図５−３】同上。
【図５−４】同上。
【図６】図６Ａおよび６Ｂは、外部のドナー材料源がコーティングデバイスへ接続する、発明の実施形態におけるコーティングデバイスの概略図である。
【図７】図７Ａおよび７Ｂは、発明のいくつかの実施形態に従う、照射ヘッドの上面図（図７Ａ）および側面図（図７Ｂ）を示す、概略図である。
【図８−１】図８Ａは、複数の照射ヘッドを示す概略図である。図８Ｂは、複数の照射ヘッドを受容するように構築および設計される、多スロット構造の概略図である。
【図８−２】図８Ｃは、レーザービームが光導波路によって、外部レーザー光源からヘッドへ送達される、概略図である。  図８Ｄは、図８Ｃに類似の構成を示し、それぞれ複数の導波路（例えば、ファイバ束）が、複数のビームをヘッドへ送達するように使用され得る場合の、複数のヘッドを示す。
【図８−３】図８Ｅは、照射ヘッドが光ノズルの配列を備える、実施形態の概略図である。
【図９−１】図９Ａ〜９Ｆは、レーザービームが複数の導波路によって多ノズルヘッドへ送達される、実施形態の概略図であり、光ビームが、丸い光カプラによって導波路の中へ連結される。
【図９−２】同上。
【図９−３】同上。
【図９−４】同上。
【図９−５】同上。
【図９−６】同上。
【図１０−１】図１０Ａは、本開示の一部実施形態に従う、回転ミラーシステムの概略図である。
【図１０−２】図１０Ｂは、本開示の一部実施形態に従う、折り返しミラーシステムの概略図である。
【図１０−３】図１０Ｃは、本開示の一部実施形態に従い、２ミラーシステムの中間に位置する焦点光学システムと、光ファイバ束の進入ポートとを有する、２ミラーシステムの概略図である。図１０Ｄは、本開示の一部実施形態に従い、レーザービームの焦点を２ミラーシステム上に合わせるために、２ミラーシステムの正面に位置する焦点光学システムを有する、２ミラーシステムの概略図である。
【図１１】図１１Ａおよび１１Ｂは、発明のいくつかの実施形態に従う、ノズルの概略図二次元配列である。
【図１２】図１２は、本発明の一部実施形態に従う、印刷シナリオを示すフローチャート図である。
【図１３−１】図１３Ａおよび１３Ｂは、本発明の一部実施形態に従う、ブレードコーティングデバイスの好ましい設計の側面図（図１３Ａ）および上面図（図１３Ｂ）の図解である。
【図１３−２】図１３Ｃおよび１３Ｄは、本発明の一部実施形態に従う、ロッドコーティングデバイスの好ましい設計の直交図（図１３Ｃ）および断面図（図１３Ｄ）の図解である。図１３Ｅは、ロッドコーティングデバイスの表面上に、複数の切り取り部を有する、ロッドコーティングデバイスの図を示す。
【図１４】図１４Ａ〜Ｄは、液体ドナー材料のレーザー励起分注プロセスを示す。
【図１５】図１５Ａ〜Ｄは、ドナー材料の温度がドナー材料の凍結温度に近い、本発明の実施形態における、ドナー材料のレーザー励起分注プロセスを示す。
【図１６−１】図１６Ａおよび１６Ｂは、図９Ａのファイバ束を組み込んでもよい、印刷配置全体の概略図である。図１６Ｂは、ファイバ束によって、レーザー走査システムを包含するドライバから、プリントヘッドを切り離してもよい様式の概略図である。
【図１６−２】同上。
【図１７】図１７Ａおよび１７Ｂは、関係する運動方程式を満たす、入口および出口にある光ファイバの配置の概略図である。
【図１８】図１８は、光ファイバが光検出器へ接続する、光ファイバ束の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００８３】
本開示の一部実施形態では、本開示は材料分注に関し、より具体的には、レーザー励起材料分注に関するが、これに限るものではない。
【００８４】
本開示の少なくとも一つの実施形態を詳細に説明する前に、本開示は、次の記載に述べる、および／もしくは図面および／もしくは実施例に図示する、構成要素ならびに／または方法の構築および配置の詳細への適用に、必ずしも限定されないことは理解されるものとする。本開示は、他の実施形態を可能にするか、または様々な手段で実践する、もしくは行うことができる。
【００８５】
ここで図面を参照すると、図１Ａおよび１Ｂは、本発明の一部実施形態に従う、レーザー励起分注システのための材料供給キット１０の概略図である。材料供給キット１０の少なくとも一つの構成要素、より好ましくは、すべての構成要素は、使い捨てまたは取り外し可能にし得る（例えば、材料供給キット１０は、除去され廃棄されるか、もしくは一新されるか、洗浄されるか、または代替材料供給キットと単純に交換されるかであってもよい）。材料供給キット１０は、好ましくは、光透過層を有する箔１８をそれぞれ供給するおよび拾い上げる、繰り出しリール１４および巻き取りリール１６を有する、カートリッジアセンブリ１２を備える。カートリッジアセンブリ１２および箔１８は、好ましくは、使い捨てまたは取り外し可能にする。キット１０はさらに、箔１８が動いている間に、ドナー材料５４（図示せず。例えば、図２Ａ〜Ｂおよび４Ａ〜Ｃ参照）によって箔１８をコーティングする、コーティングデバイス２０を含む。本開示の一部実施形態では、コーティングデバイス２０は、繰り出しリール１４から箔１８を継続的に受容する入口２２と、巻き取りリール１６によって拾い上げられる箔１８を継続的に放出する出口２４と、ドナー材料により箔１８をコーティングする、入口２２および出口２４の間のコーティング部分２６とを有する。これらの実施形態は、図１Ａに示し、下方から箔１８をコーティングするのに望ましい場合に特に有用である。コーティングデバイス２０は、代替として、ドナー材料を箔１８上へ分注するノズル２１を含み得る。これらの実施形態は、図１Ａに示し、上方から箔１８をコーティングするのに望ましい場合に特に有用である。
【００８６】
コーティングデバイス２０は、好ましくは、使い捨てまたは取り外し可能にする。対照的に、従来の継続的システムは、実装するには非常に複雑で高価である。コーティングデバイス２０を使い捨て（または取り外し可能）にする利点は、随時交換することが可能であり、それによって、生産プロセスが単純化される。その上に、使い捨てまたは取り外し可能なコーティングデバイス２０によって、分注セッション間におけるドナー材料の汚染リスクが低減される。これは、限定するものではないが、バイオプリンティングなど、汚染の影響を受けやすい用途で特に有用である。コーティングデバイス２０の取り外し可能な性質によって、コーティングデバイスを所望の通り洗浄、再使用、一新、交換および廃棄することが可能になることは理解されるべきである。
【００８７】
キット１０を組み込むレーザー励起分注システム３０は、図２Ａおよび２Ｂに概略的に示し、図２Ａは、箔１８が下方からコーティングされる、発明の実施形態を示し、図２Ｂは、箔１８が上方からコーティングされる、発明の実施形態を示す。システム３０はＬＩＦＴシステムであることができ、とりわけ印刷に使用され得る。システム３０は、キット１０、光学素子３４を有する照射ヘッド（またはプリントヘッド）３２、コントローラ３６を備え得る。コントローラ３６は、好ましくは、箔１８の動きを確立するように、カートリッジアセンブリ１２を制御し、ドナー材料５４の液滴４０を箔１８から放出するために、コーティングデバイス２０の下流の場所で、レーザービーム３８の焦点を箔１８上へ合わせるよう、光学素子３４を制御する専用回路を有する。ドナー材料５４が、コーティングデバイス２０によって上方（図２Ｂ）または下方（図２Ａ）のいずれから塗布されるにかかわらず、レーザービーム３８は、好ましくは、ドナー材料５４によってコーティングされる側と反対の箔１８の側から、箔１８に到達する。本発明の一部実施形態において、コントローラ３６はまた、箔１８をコーティングするように、コーティングデバイス２０を制御する。例えば、コントローラ３６は、以下にさらに詳細に述べる通り、所定量のドナー材料を箔１８上に塗布し、および／または所定のコーティング比率で箔１８をコーティングするように、コーティングデバイス２０を制御し得る。
【００８８】
発明の様々な例示的実施形態では、システム３０は、液滴４０の放出に続いて、余分なドナー材料７４を箔１８から除去する、廃棄物コレクタ２８を備える。廃棄物コレクタ２８は、廃棄物タンクまたは廃棄物カートリッジへ材料を送達する、いかなる機構を備えてもよい。限定としてみなされるものではない、図２Ａの代表的な図解では、廃棄物コレクタ２８は、一つ以上のブレードおよび廃棄物カートリッジとして具現化される。加えて、材料廃棄物コレクタによって除去される、余分なドナー材料７４は、再使用、再生利用または破棄されてもよい。
【００８９】
システム３０はまた、好ましくは箔１８がビーム３８と相互作用する前に、箔１８の部分を撮像する、撮像デバイス９８（図２Ｂに図示せず）を任意で適所に備えるが、必ずしも備えるとは限らない。撮像デバイス９８は、品質管理に使用することができ、デバイスは、ドナー材料５４が分注される前にその画像を捕捉し、その画像は、ドナー材料５４の状態を判定するように、例えば、画像処理プロセッサ（図示せず）によって処理され分析され得る。画像処理および分析によって、ドナー材料５４が損傷を受けたか、破損したか、またはそうでなければ低品質であるかが明らかになると、コーティングデバイス２０がドナー材料と交換されるか、またはドナー材料で補充されるまで、一時的にシステム３０の動作を中止するように、好ましくは自動的に信号がコントローラ３６へ発信され得る。撮像デバイス９８の使用は、ドナー材料５４が生物材料であるときに、特に有用である。撮像デバイス９８の使用はまた、画像処理および分析により、ドナー材料が不正確なタイプであると明らかになり、コントローラ３６が、システム３０の動作を一時的に中止する場合に、システム３０が、二つ以上のドナー材料タイプを分注するのに使用されるときにも有用である。撮像デバイス９８は、好ましくは可視光撮像デバイスであるが、他のタイプの撮像デバイス（例えば、赤外線撮像デバイスおよび／または三次元スキャナ）もまた検討される。
【００９０】
キット１０のカートリッジアセンブリ１２およびコーティングデバイス２０は、システム３０の操作者によって、ヘッド３２上に組み立てられ得る、別個のユニットとして提供され得る。カートリッジアセンブリ１２およびコーティングデバイス２０の各々を、別個のユニットとして有する利点は、例えば、異なるドナー材料を同じ箔上に使用することが所望されるときに、操作者が、コーティングデバイス２０のみを交換し、カートリッジアセンブリ１２は交換しないことが可能になることである。
【００９１】
使用時、レシーバ基体８０は箔１８の下方に置かれ、システム３０は、ビーム３８の焦点を箔１８上に合わせるように操作される。ビーム３８は、通常、箔１８のプラズマ着火（ｐｌａｓｍａ  ｂｒｅａｋｄｏｗｎ）を下回る強度を有する。表面の熱吸収がドナー材料５４上に発生する。熱吸収はドナー材料５４の溶解を引き起こし、また、前方向の誘起圧力勾配も引き起こし、材料５４から、それゆえ、箔１８からの液滴４０が前方向に加速することにつながる。それゆえ、液滴４０が放出され、任意でかつ好ましくは、重力を活用して基体８０の方へ、そしてその上へと動く。
【００９２】
ある特定のいかなる理論に従うことなく、レーザパルスの効果は、概して、（ｉ）光吸収、ならびに（ｉｉ）加熱および相転移を含む、いくつかの段階に分離され得る。所与のドナー材料に対して、限定するものではないが、パルス幅、パルスエネルギー、波長および繰返し率を含む、一つ以上のレーザーパラメータを変化させることによって、分注プロセスを制御し得る。
【００９３】
本発明の一部実施形態において、箔１８上のドナー材料５４の温度は、ビーム３８との相互作用前に、ドナー材料５４の凍結温度を上回るが、凍結温度から５℃未満、もしくは４℃未満、もしくは３℃未満、もしくは２℃未満、もしくは１℃未満、もしくは０．５℃未満、または０．２５℃未満の範囲内である水準にまで低下する。ビーム３８と相互作用する箔１８の部分で一度、材料５４の温度が上昇し、材料５４は以下に記載する機構によって分注されて放出される。レーザーが局所的に冷たい層を加熱し、熱エリアはより粘性が低い。局所粘度の勾配が、材料を取り出す駆動力である。このプロセスにより、移動する材料の損傷または汚染のリスクが低下するため、分注プロセスの品質が向上することが、本発明者によって発見された。
【００９４】
凍結温度に近い温度での分注と、凍結温度から遠い温度での分注との間の違いは、図１４Ａ〜Ｄおよび１５Ａ〜Ｄを活用して、より良く理解され得る。
【００９５】
図１４Ａ〜Ｄは、ドナー材料５４の温度がその凍結温度から遠いときの、液体ドナー材料のレーザー励起分注プロセスを示す。箔１８がレーザービーム３８によって照射される（図１４Ｂ）と、気泡５５がドナー材料５４の層の中に形成される。この泡の温度は通常２００℃を上回り、透明基体の光吸収剤からの原子が遊走し、ドナー材料５４を汚染するであろうリスクがある。気体圧力によって、ドナー材料５４の液滴５９を取り出すように、ドナー材料５４上で働く力がもたらされる（図１４Ｃおよび１４Ｄ）。
【００９６】
図１５Ａ〜Ｄは、ドナー材料５４の温度がその凍結温度に近いときの、液体ドナー材料のレーザー励起分注プロセスを示す。箔１８がレーザービーム３８によって照射される（図１４Ｂ）と、ドナー材料５４の層である領域５７に粘度の局所的低下が生まれるが、高温の気泡は形成されない（図１５Ｂ）。粘度勾配によって、ドナー材料５４の液滴５９を取り出すように、領域５７上で働く力がもたらされる（図１５Ｃおよび１５Ｄ）。
【００９７】
ドナー材料５４の温度は、箔１８と熱接触して、および／またはデバイス２０と共に置かれる、冷却要素８８によって低下し得る。冷却要素８８は、限定するものではないが、熱電冷却要素、熱電子冷却要素、熱音響冷却要素、磁性冷却要素、冷却液冷却要素、ガス再循環冷却要素および類似のものを含む、いかなるタイプでもあり得る。
【００９８】
好ましくは、相対的な横の動き７８は、基体８０上にドナー材料のパターン８２を形成するために、基体８０と照射ヘッド３２との間に確立される。一部の実施形態では、相対的な横の動き７８および相対的な縦の動き８６の両方は、基体８０上に三次元物体８４を形成するように、基体８０と照射ヘッド３２の動きとの間に、連続的にまたは同時に確立される。
【００９９】
本明細書では、「横」は、重力方向に直角な平面内の方向を指す。
【０１００】
本明細書では、「縦」は、概して重力方向に平行または逆平行の方向を指す。
【０１０１】
概して、物体８４の層のパターン８２を生み出す情報は、両方の横方向に、必要とされる空間分解能の二次元ビットマップの形態で記述され得る。各二次元ビットマップ要素（例えば、画素）は、ドナー材料で充填されるべきか、または空のまま残すべきかである、標的の場所に対応する。ビットマップは、バイナリ情報を記憶してもよく、例えば、「１」が、パターン８２または物体８４の中で、ドナー材料により占有されるべき場所を表し、「０」がパターン８２または物体８４の中の空隙を表す。それゆえ、ビットマップの中の「１」は、ヘッド３２がドナー材料の一つ以上の液滴を分注する場所を表すことができ、「０」は、ヘッド３２を抜かす場所を表す。
【０１０２】
以上に描写するように、本実施形態のキットおよびシステムについてさらなに詳細に記載する前に、以上に提供した利点に注意を向ける。
【０１０３】
発明者は、従来のＬＩＦＴシステムの欠点のうちの一つが、ドナーの準備であることを発見した。そのようなシステムのドナーは、ドナー材料の薄い層で塗布されるキャリア基体から成る。従来のシステムを使用する印刷プロセスの間、一定で正確な印刷状態を実現するように、ドナー材料の新たな層を提供することが必要である。本実施形態の手法により、繰り出しリール１４から巻き取りリアル１６までの薄膜１８の移動と、箔１８を「臨機応変に」コーティングするコーティングデバイス２０との間の組み合わせによって、継続的なドナー材料の供給が可能になり、そのため、箔は、レーザービーム３８と相互作用するときまで、新しい量のドナー材料によって常にコーティングされる。使い捨てのまたは取り外し可能なコーティングデバイスは、より安価で小型であるため、それを利用することによってシステムの複雑性が低減される。その上に、デバイス全体が使い捨てまたは取り外し可能であることから、洗浄が必要とされないため、保守の複雑性が低下する。さらに、箔１８は、例えば、別個のコーティングデバイスを必要としなくてもよい場合、カートリッジ内に据え付けられる前に、事前にコーティングされてもよい。
【０１０４】
図面を再び参照すると、図３Ａ〜Ｃは、本開示の一部実施形態に従う、より詳細なカートリッジアセンブリ１２の概略図である。図３Ａはカートリッジアセンブリ１２を示し、図３Ｂは箔１８を示し、図３Ｃは箔１８の拡大断面を示す。限定と見なされないものとする、図３Ｂおよび３Ｃの代表的な図解では、箔１８は多層箔である。本開示の一部実施形態では、箔１８は、光透過層４４の上方に犠牲保護層４２を備える。層４２は、箔１８がリール１４の周りに巻き付くとき、層４４の上側を保護するのに役立つ。好ましくは、カートリッジアセンブリ１２は、箔１８の供給中に４４から層４２を持ち上げる、持ち上げリール４６（図３Ａ参照）を備える。
【０１０５】
本開示の一部実施形態では、箔１８は、ドナー材料によって箔１８をコーティングすると、ドナー材料への伝熱が可能になるように、光学素子３４の反対にある光透過層４４の側（例えば、光学素子３４が箔１８の上方にあるときは、光透過層４４の下方）に、熱伝導層４８を備える。層４８は金属層であり得る。一部の実施形態では、箔１８はまた、光透過層４４の反対にある熱伝導層４８の側（例えば、光学素子３４が箔１８上方にあるときは、熱伝導層４８の下方）に、パッシベーション層５０も備える。層５０は、ドナー材料と層４８との間の接触を防止するのに役立つ。これは、例えば、ドナー材料が生物材料であるとき、特に有用である。
【０１０６】
以下は、箔１８の層に好適な材料の代表例であり、限定としてみなされるものではない。犠牲保護層４２は、例えば、限定するものではないが、ＰＡＲＡＦＩＬＭ（登録商標）などのゴムタイプのポリマー薄膜から作られ得る。光透過層４４は、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリイミド（ＰＩ）、可撓性ガラスなどから作ることができ、熱伝導層４８は、チタン、モリブデン、白金、金などから成る群より選択される金属から作られ得る。層４８の厚さは、例えば、１０ｎｍから１００ｎｍ、および好ましくは約１５ｎｍから約２５ｎｍの間である、レーザー光吸収深さに相当してもよい。パッシベーション層５０は、例えば、限定するものではないが、酸化チタン、アルミナ、シリカなどの金属酸化物から作られ得る。層５０の厚さは、例えば、１０ｎｍから５００ｎｍ、および好ましくは約５０ｎｍから約１５０ｎｍの間であってもよい。
【０１０７】
本明細書では、「上方」および「下方」は、重力の方向に対してであり、箔１８が水平方向と想定されるとき、別の層に対する層として位置について述べる。
【０１０８】
ここで、本発明のいくつかの実施形態に従う、コーティングデバイス２０の概略図である図４Ａ〜６Ｂを参照する。
【０１０９】
図４Ａは、デバイス２０の例証設計を示す斜視図である。限定としてみなされるものではない、この例証設計では、デバイス２０に、キット１０の使用者が、デバイス２０を箔１８上に容易に取り付けることが可能になる、クイックロック機構５２が提供される。ロック機構は、例えば、所望の通り、磁性機構、または一つ以上のスナップコネクタであり得る。本開示の一部実施形態では、デバイス２０は、ドナー材料５４をデバイス２０へ供給するために、ドナー材料の源（図示せず）へ接続可能なドナー材料入口５６を備える。
【０１１０】
図４Ｂおよび４Ｃは、コーティングデバイス２０の正面断面図の概略図である。この図では、箔１８の動きは、図面の平面に対して外向きである。図４Ｂおよび４Ｃに示すのは、デバイス２０の上部カバー９０、およびデバイス２０により提供される箔１８とドナー材料５４との間に接触があることを保証する、保持構造９２である。図４Ｂの図解では、保持構造は、デバイス２０の縦位置が、箔１８に対して固定されるように静止しており、そのため、デバイス２０は箔１８に対する一定の力で圧迫される。図４Ｃの図解では、保持構造９２は、上部カバー９０に対して縦方向に動くことが可能９４であり、そのため、デバイス２０により箔１８上に印加される力は変化し得る。これは、例えば、上部カバーと構造９２との間に接続され、動き９４を確立するために構成される、アクチュエータ９６を使用して実現され得る。アクチュエータ９６は、例えば、システム３０のコントローラ３６により制御可能な圧電結晶の形態であり得る。デバイス２０の縦位置を変化させる利点は、これにより、箔１８上に形成されるドナー材料５４のコーティング層の厚さの選択が可能になることである。また、可変の縦位置によって、さらに以下に詳細に述べる通り、二つ以上のドナー材料タイプで箔１８をコーティングすることが可能になる。
【０１１１】
図５Ａ〜Ｇは、デバイス２０がドナー材料５４を保持するための空洞５８を備える、本開示の実施形態で、デバイス２０の原理および動作を説明する、概略側面図の図解である。空洞５８は、ドナー材料５４を保持するための入口２２および出口２４と、箔１８が動いている間に、箔１８およびドナー材料５４の間に接触を確立するように、ドナー材料５４を上方へ付勢するバイアス機構６０との下方に設置され、それによって、下方から材料５４による箔１８のコーティングを「臨機応変に」促進する。バイアス機構６０は、図５Ａに例証する通り、例えば、プランジャー６２、ならびに例えば、プランジャー６２を上方へ付勢するばねといった、弾性要素などの機械式バイアス部材６４の形態であり得る。代替として、バイアス機構６０は、図５Ｂに例証する通り、プランジャー６２と、プランジャー６２の下方へ流体圧力を印加するポンプシステム６８へ接続可能であり、それによってプランジャー６２を上方へ付勢する圧力ポート６６とを備え得る。任意でスペーサ７２が、箔１８をデバイス２０に対して固定された縦の距離に維持するために使用されるが、繰り出しリール１４および巻き取りリール１６により印加される引張力によって、箔１８を固定された縦位置に維持してもよいため、これが必ずしも事実である必要はない。ポンプシステム６８は、所望の用途によって、油圧ポンプ、空気ポンプもしくは他の機械式ポンプ（例えば、シリンダおよびピストンを利用）、可逆ポンプ、定量ポンプ、または可変ポンプであってもよい。
【０１１２】
機械式バイアス部材６４（図５Ａ）の使用は、機構が受動であることが可能になり、外部ポンプを必要としないため有利である。機械式バイアス部材を伴う受動機構６０は、システム３０が単一のドナー材料を分注するように構成されるとき、特に有用である。
【０１１３】
圧力ポート６６の使用は、機構６０により印加される付勢へ制御性を提供するため有利である。制御性は、ポンプシステム６８により印加される圧力を制御するように構成され得る、コントローラ３６を用い得る。圧力は、例えば、箔５８上に塗布されるドナー材料５４の量または比率を選択するために制御することができ、ポンプシステム６８により印加されるより高い圧力が、より高いコーティング比率を提供し、ポンプシステム６８により印加されるより低い圧力が、より低いコーティング比率を提供する。圧力の制御はまた、一時的に選択されるコーティングを提供するのにも使用され得る。例えば、コントローラ３６は、１回限りの間隔の間にプランジャー６２を付勢し、別の時間間隔中に付勢を中止する（例えば、圧力を印加しないことによって、または真空を適用するために、ポンプシステムの動作を逆転させることによって）ように、ポンプシステム６８に信号を送り得る。さらに、コントローラ３６は、レーザー励起分注システム３０に対して、内部にまたは外部に提供されてもよい。例えば、コントローラは、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）、またはＰＣとレーザー励起分注システム３０との間を仲介する、ソフトウェアおよび／もしくはハードウェアを介して、レーザー励起分注システム３０と通信してもよい他のワークステーションとして提供されてもよい。また、コントローラは、レーザー励起分注システム３０の部品を制御するために、レーザー励起分注システム３０へ直接提供されてもよい。
【０１１４】
本発明の一部実施形態では、デバイス２０は、箔１８上へ塗布されるドナー材料５４の層を平らにするように位置する、平滑化デバイス７０を備える。図５Ａ〜Ｇに示す概略図では、平滑化デバイス７０は、ブレードとして図示されるが、他のタイプの平滑化機構（例えば、ロッドまたはエアナイフによる）もまた検討されるため、これが必ずしも事実である必要はない。平滑化デバイス７０用のエアナイフを有する利点は、エアナイフの手段としての出力で気体圧力を調整することによって、ドナー材料５４の箔１８上での厚さを制御することが可能になることである。別の利点は、ブレードもしくはロッドを洗浄または交換する必要性が排除されることである。平滑化デバイス７０によって除去される余分なドナー材料５４は、任意でかつ好ましくは、所望される場合には、空洞５８の中へ戻して再生利用される。これは、専用導管によって、または平滑化デバイスを形成するブレードを中空にすることによって成され、ブレードにより除去されるドナー材料が、ブレードを通って流れて空洞の中へ戻るように、空洞５８と流体連通し得る。
【０１１５】
図５Ｃ〜Ｇは、デバイス２０が二つ以上の空洞５８Ａ、５８Ｂを備える実施形態における、コーティングデバイス２０の概略図である。これらの実施形態は、空洞５８Ａ、５８Ｂが異なるドナー材料５４Ａおよび５４Ｂをそれぞれ包含する場合に、二つ以上のドナー材料を分注することが所望されるとき、特に有用である。空洞の各々は、任意でかつ好ましくは、ポンプシステム（図５Ｃ〜Ｇに図示せず、図５Ｂ参照）と別個に流体連通する。各空洞は、離れたポンプと連通することができるか、または、より好ましくは、同じポンプシステムをすべての空洞に対して使用することができ、その場合システムは、当該技術分野で知られる通り、各空洞への別個の流体連通を確立する、制御可能なポンプのマニホールドを含み得る。箔１８をコーティングするのに使用されるドナー材料の選択には、任意でかつ好ましくは、コントローラ３６を用いる。これは二つ以上の手段で行われ得る。
【０１１６】
本発明の一部実施形態において、コントローラ３６は、ポンプによりそれぞれのプランジャーへ印加される圧力を制御することによって、コーティングを塗布する空洞を選択する。例えば、コントローラ３６は、すべての他の空洞へ圧力を印加する（例えば、他の空洞を周囲圧力に維持する）のではなく、プランジャーを上方へ付勢する一つの空洞のみへ圧力を印加するように、ポンプシステムに信号を送り得る。コントローラ３６はまた、すべての他の空洞へ真空を適用するように、ポンプに信号を送り得る。
【０１１７】
本開示の一部実施形態では、空洞は、縦方向に沿って移動可能であり、コントローラ３６は、それぞれの空洞の中で、箔１８とドナー材料との間に接触を断続的に生成するよう、空洞を縦に変位させるために構成され得る。空洞５８Ａおよび５８Ｂの移動は、例えば、コントローラ３６により制御可能である、アクチュエータ９６（図示せず、図４Ｂ参照）を用い得る。
【０１１８】
二つ以上の空洞を用いる場合、空洞５８Ａがドナー材料５４Ａと箔１８との間に接触を確立する（図５Ｃ）ように変位するとき、ドナー材料５４Ａを平らにし、また、空洞５８Ｂがドナー材料５４Ｂと箔１８との間に接触を確立する（図５Ｄ）ように変位するとき、ドナー材料５４Ｂを平らにするために、同じ平滑化デバイス７０を使用し得る。これらの実施形態では、余分なドナー材料は、任意でかつ好ましくは、空洞の中へ戻って再生利用されない。
【０１１９】
代替として、図５Ｅ〜Ｆに図示する通り、別個の平滑化デバイス７０が空洞の各々に使用され得る。これらの実施形態では、上記でさらに詳細に述べた通り、平滑化デバイスの各々が、それぞれの空洞に戻ってそれぞれのドナー材料を再生利用するために使用され得る。別の代替は、アクティブな空洞に隣接して平滑化デバイスを再配置する、動く部材（図示せず）上に平滑化デバイスを取り付けることである。
【０１２０】
図５Ｇは、コーティングデバイス２０が、コーティング前にドナー材料５４Ａおよび５４Ｂを混合するために、空洞５８Ａおよび５８Ｂの各々と流体連通する混合室７６を備える、本開示の実施形態の概略図である。これらの実施形態では、コントローラ３６は、任意でかつ好ましくは、ドナー材料５４Ａおよび５４Ｂ間に所定の混合比を提供するよう、空洞５８Ａおよび５８Ｂ内で個別の圧力を制御するために構成される。具体的には、ドナー材料５４Ａの相対体積が、ドナー材料５４Ｂの相対体積より大きい混合を提供することが所望されるとき、コントローラ３６は、空洞５８Ｂのプランジャーへより、空洞５８Ａのプランジャーへより高い圧力を印加するように、ポンプシステムを制御することができ、ドナー材料５４Ａの相対体積が、ドナー材料５４Ｂの相対体積より小さい混合を提供することが所望されるとき、コントローラ３６は、空洞５８Ｂのプランジャーへより、空洞５８Ａのプランジャーへより低い圧力を印加するように、ポンプシステムを制御することができ、ドナー材料５４Ａの相対体積が、ドナー材料５４Ｂの相対体積と等しい混合を提供することが所望されるとき、コントローラ３６は、空洞５８Ａおよび５８Ｂのプランジャーへ等しい圧力を印加するように、ポンプシステムを制御し得る。さらに、複数の空洞が提供されてもよいため、本開示の特徴によって多材料コーティングが可能になる。加えて、複数の空洞によって、例えば、薄膜の幅に沿って平行に異なるドナー材料を沈着させることを可能にする。図５Ｈを参照のこと。さらに、異なるドナー材料が連続コーティングで沈着するとき、機械システムによって、例えば、材料間の干渉を避けるように、各シリンジ（ドナー材料を箔上に沈着させるため）およびブレードを上げ下げしてもよい。図５Ｉを参照のこと。シリンジを上げ下げする機械システムは、例えば、空気圧シリンダなどの空気圧式機械システム、油圧機械システム、またはギアと回転運動を直線運動へ変換してもよい他の構成要素とを組み込む、電動式システムであってもよいことは理解されるべきである。しかしながら、コーティング機構を上げ下げする、いかなる好適な機構または他の配置が提供されてもよいこともまた、理解されるべきである。
【０１２１】
図６Ａおよび６Ｂは、コーティングデバイス２０へ接続する、ドナー材料５４の源１００がある、本開示の実施形態におけるコーティングデバイス２０の概略図である。これらの実施形態では、ドナー材料は源１００から箔１８へ直接塗布され得るため、デバイス２０がドナー材料を保持する空洞を含むことは必要ではない。これらの実施形態では、デバイス２０は、ドナー材料を箔１８へ送達する内部導管１０２を備える。内部導管１０２は、上記でさらに詳細に述べた通り、平滑化デバイス７０によって除去され、導管１０２の中へ戻って再生利用されるよう、余分なドナー材料５４の除去を可能にするために、平滑化デバイス７０へ接続し得る。
【０１２２】
内部導管１０２は、導管１０２および１０４を接続するコネクタ１０６によって、外部導管１０４を通って源１０２へ接続し得る。導管１０２および１０４内におけるドナー材料５４の流れは、ポンプ１０８によって確立され得る。コントローラ３６は、源１００からの材料５４によって箔１８をコーティングするのが所望されるタイミングにより、時間を選択してポンプ１０８を制御する。任意でかつ好ましくは、ポンプ１０８は双方向ポンプである。これらの実施形態では、ポンプ１０８は、箔１８をコーティングするためにドナー材料５４の流出と、コーティングプロセスを中止するためにドナー材料の流入とを生成する。
【０１２３】
異なるドナー材料の離れた源へ各々接続可能な、いくつかのコーティングデバイスが用いられ得る。これらの実施形態では、コントローラは、連続的にまたは同時期に、異なるドナー材料の各々が、箔１８をコーティングすることが可能になるように、離れた源のポンプを選択的に制御する。
【０１２４】
それゆえ、本開示のいくつかの実施形態によって、異なる色および／または色以外の異なる特性を有する、二つ以上の個別のドナー材料から成る複合材料を使用して、物体またはパターンを製作する可能性を提供する。色以外の特性は、透明度、弾性、導電性、磁化、強度および同類のものから成る群より選択され得る。個別のドナー材料は、第３の異なる色もしくは特性、またはドナー材料の色もしくは特性の組み合わせを伴う材料を取得するため、ドナー材料の色または特性に基づく使用に対して選択され得る。結果生じる複合材料は、例えば、分注される各個別のドナー材料の相対量、および材料沈着の順序または「構造」により、使用される二つ以上の個別のナー材料の各々の特性に対して、一つまたは複数の異なる特性を有し得る。
【０１２５】
二つ以上の異なるドナー材料を利用する、本実施形態のシステムの能力によって、従来のＬＩＦＴシステムで今までに可能になってきたよりも、より多くのより多様なドナー材料を使用することが可能になる。
【０１２６】
異なるドナー材料の相対量は、製作されるパターンまたは物体の所望の特性に従って選択され得る。例えば、ある特定の色のパターンを形成することが所望されるとき、材料のそれぞれの量は各々、特定の色を準備するように選択され得る。
【０１２７】
上の実施形態のいずれにおいても、コーティングデバイス２０と共に使用される好適なドナー材料は、限定するものではないが、金属（例えば、アルミニウム、モリブデン、錫、チタン、タングステンおよびそれらの合金）、金属酸化物、誘電材料、半導体材料、磁性材料、有機物、無機物、ポリマー材料および生物材料（例えば、タンパク質、オリゴペプチド、ポリペプチド、全細胞、生物組織、酵素、補因子、核酸、ＤＮＡ、ＲＮＡ、抗体、抗原、オリゴ糖、多糖類、オリゴヌクレオチド、レクチン、ビオチン、ストレプトアビジン、脂質）を含む。ドナー材料は、好ましくは液状形態であるが、また、粉末または懸濁液であってもよい。ドナー材料が粉末形態である場合、箔は、任意でかつ好ましくは、粉末を箔へ結合するように、接着剤で事前にコーティングされるか、または継続的にコーティングされる。
【０１２８】
本開示の一部実施形態に従う、照射ヘッド３２の上面図（図７Ａ）および側面図（図７Ｂ）を示す概略図である、図７Ａおよび７Ｂをここで参照する。図７Ａおよび７Ｂに示すのは、カートリッジ１２およびデバイス２０が上に組み立てられる前の照射ヘッド３２である。ヘッド３２は、ヘッド本体１１０と、本体１１０上に取り付けられる回転可能な複数のハブ１１２とを備える。限定としてみなされるものではない、図７Ａおよび７Ｂの代表的な図解には、３つのハブ１１２Ａ、１１２Ｂおよび１１２Ｃを図示する。ハブ１１２Ａは、カートリッジアセンブリ１２の繰り出しリール１４を回転させるのに役立つことができ、ハブ１１２Ｂは、カートリッジアセンブリ１２の巻き取りリール１６を回転させるのに役立つことができ、ハブ１１２Ｃは、カートリッジアセンブリ１２の持ち上げリール４６を回転させるのに役立ち得る。ハブ１１２Ａ、１１２Ｂおよび１１２Ｃの各々は、限定するものではないが、ＤＣ電気モータなどのモータ１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃへそれぞれ接続し得る。しかしながら、すべてのハブがモータへ接続する必要はないことは理解されるものとする。例えば、ハブ１１４Ｂが、繰り出しリールから放出される箔を拾い上げるように回転するとき、ハブ１１４Ａが自由に回転することが可能となり得る。さらに、いかなる数のハブもいかなる数のモータへ連結し得る。例えば、一つのモータは、例えば、モータの速度をハブの運動（回転または別の運動）と連結することができる、例えば、ベルトまたはギア機構によってハブおよびモータを接続することで、複数のハブを駆動するように構成されてもよい。
【０１２９】
ヘッド３２の光学素子３４は、レーザービーム３８を生成するレーザー光源１１６と、ビーム３８を変調する変調器１１８と、ビーム３８の変調に続きそのスポットサイズを拡大するビーム拡大器１２０と、ビームの拡大に続きそれを走査する光走査デバイス１２２と、ビーム３８の焦点を合わせる光学集束素子１２４とを備え得る。レーザー光源１１６は、当該技術分野で知られる通り、ポンプビームを提供する半導体ダイオードポンプレーザーを有する固体のマイクロチップ、およびマイクロチップレーザー空洞として具体化され得る。また、レーザー光源も、意図する用途に好適なレーザービームを提供するように選択され得る。例えば、レーザー光源１１６は、約４５０ｎｍから約６５０ｎｍまでの範囲内の波長を有するレーザービームを提供するように、選択され得る。
【０１３０】
変調器１１８は、任意でかつ好ましくは、ビームの強度プロファイルを形作るように、空間グレースケールの強度変調をビーム３８へ適用する。いくつかの競合技術が、空間光変調器として使用されてもよい。デジタルマイクロミラーデバイスは、紫外線から赤外線までの伝送波長を有し、それによって、レーザー光源の選択においてより広い光の自由度を可能にする、そのような市販のデバイスとして、特に有用である。限定するものではないが、液晶変調器および音響光学変調器など、他のタイプの変調器もまた検討される。
【０１３１】
ビーム拡大器１２０は、回折または屈折ビーム拡大器であることができ、いずれの量だけビーム３８のスポットサイズを増大させるように選択され得る。好ましくは、ビーム拡大器１２０によって、スポットの直径の少なくとも２倍の増加が提供される。ビームの拡大によって、発散が減少し、また、集束素子１２４がスポットサイズの減少を活用することが可能になるため、有利でもある。
【０１３２】
光走査デバイス１２２は、走査ミラー、すなわちデジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）システムとして具体化でき、集束素子１２４は、屈折レンズシステムまたは回折システムであり得る。
【０１３３】
ヘッド３２は、任意でかつ好ましくは、カートリッジアセンブリ１２の箔１８を保持する箔ホルダー１２６を備える。好ましくは、ホルダー１２６はビーム３８を透過させる。代替として、ホルダーは、ビーム３８が箔１８に作用するように通過する、開口部を含み得る。ホルダー１２６は、好ましくは、ビーム３８に対する箔１８の配向を調整するために回転可能である。ホルダー１２６は、好ましくは、箔１８と集束素子１２４との間の距離を調整し、それによって、ビーム３８の焦点を箔１８上へ合わせることを保証するために、ビーム３８の方向に沿って変位可能（例えば、縦に移動可能）である。しかしながら、ホルダー２６が、箔１８と集束素子１２４との間の距離または配向を調整するために、いかなる方向にも移動可能（または変位可能）であってもよいことは理解されるべきである。
【０１３４】
本開示の追加の特徴は、レーザービームが、外部の源からヘッド３２へ送達されてもよいことであり、その場合、光学素子３４は、レーザービーム３８を外部レーザー光源から照射ヘッド３２へ連結する。この特徴の少なくとも一つの利点は、ビーム３８を生成し、また任意で変調および／または拡大するように、より大規模のレーザーシステムおよびより大規模の光学素子の使用が可能になることである。それゆえ、前述の特徴に従い、ヘッド３２がレーザー光源１１６を含む必要はなく、任意でかつ好ましくは、ヘッド３２が変調器１１８および／またはビーム拡大器１２０を含む必要はない。
【０１３５】
上の特徴を用いてもよい代表例を、図８Ａ〜Ｅに示す。
【０１３６】
図８Ａに示すのは、レーザービーム３８を外部の源（図示せず）からそれぞれのヘッドの中へ連結する、光カプラ１３０を各々備える、複数の照射ヘッド３２である。図８Ｂは、照射ヘッド３２を受容し、それぞれの光カプラによりヘッドへ連結されるように、光ビーム３８を各ヘッドへ提供するために構築および設計される、多スロット構造１３２の概略図である。ビーム３８の各々は別個のレーザー光源によって生成できるが、より好ましくは、すべてのヘッドに対して単一の源を使用することができ、レーザー光源により生成されるレーザービームは、個別のヘッドによって連続的に使用され得るか、もしくは使用されるように走査され得るか、またはカプラ１３０により連結される２次ビームに分かれ得るか、もしくは分かれるように走査され得る。図８Ａ〜Ｂが、外部レーザー光源を複数の照射ヘッドと共に使用する、実施形態を示す一方、本開示の一部実施形態ではまた、システム３０が単一の照射ヘッドを備えるとき、外部レーザー光源の使用を検討する。
【０１３７】
図８Ｃは、限定するものではないが、光ファイバなどの光導波路１３６によって、外部レーザー光源１３４からヘッド３２へレーザービームが送達される概略図であり、その場合、光カプラ１３０は導波路１３６へ接続可能である。図８Ｄは、複数のヘッド３２を伴う類似の構成を示し、その場合、それぞれ複数の導波路１３６（例えば、ファイバ束）は、それぞれ複数のビームをヘッド３２へ送達するように使用され得る。ビームは、外部レーザー光源１３４から出力ビーム１４０を受信し、出力ビーム１４０を複数の２次ビームに分け、各２次ビームを導波路１３６のうちの一つの中へ連結する、多方向ビームスプリッタ１３８によって分かれ得る。
【０１３８】
光導波路１３６の使用は、ヘッド３２が走査部品を持たないことが可能になるため有利である。
【０１３９】
図８Ｅは、それぞれ複数のレーザービームの焦点１４４を生成するために、照射ヘッド３２が光ノズルの配列１４２を備える、実施形態の概略図である。各光ノズルは、別個の集束素子を含み、それぞれのノズルの集束素子により焦点が合わせられるように、ビームを導く導波路１４６を受容する、別個の光カプラを含み得る。個別のビームは、外部レーザー光源（図示せず）からの出力ビーム１４０より提供され得る。例えば、ビーム走査システム１４８は、レーザービーム１４０を光ノズル１４２の中へ選択的に連結するよう、出力レーザービーム１４０を走査するために使用され得る。限定とみなされるものではない、図８Ｅに示す代表例では、ビーム走査システム１４８は、出力レーザービーム１４０を走査して、ビーム１４０を外部レンズ配列１５０のレンズ素子上へ選択的に連結し、外部レンズ配列によって、ビーム１４０をそれぞれの光導波路１５２の中へ連結させる。光導波路コネクタ１５４は、導波路１５２を導波路１４６へ接続するために使用される。
【０１４０】
ヘッドのノズル配列は、ヘッドが、配列の長さ方向と概して直角な方向に沿って、横の動きを実施するとき、複数行のドナー材料が、基体上に形成されるような形式で配設され得る。
【０１４１】
図９Ａおよび９Ｂは、レーザービーム１４０が複数の導波路１３６（例えば、ファイバ束）によって多ノズルヘッド３２へ送達される、本開示の実施形態の概略図であり、光ビームは、丸い（例えば、円形、楕円形および長円形）多ポート光カプラ１６２（または第１インターフェース）によって、導波路１３６の中へ連結される。これらの実施形態では、導波路１３６の進入ポート１６４は、一つ以上の同心の閉じた丸い形状、例えば、円、長円および楕円を形成するように、カプラ１６２上に配設される。導波路１３６の退出ポート１６６は、長方形にまたは織り合わせて、ヘッド３２上に配設され得る。
【０１４２】
また、図９Ｃは、第１インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する光ファイバのすべてが、第２インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように、光ファイバの各々を配設する例示的特徴を示す。ファイバ束は、所与の用途に必要な、または所望されるいかなる数の光ファイバを含んでもよいことに留意する。例えば、Ｎｔで表される光ファイバを伴う束は、入口のファイバが順次順序付けられ、出口のファイバが指定のギャップを伴い配設される（または事前に定義された数の介在するファイバで区切られる）ように、配設されてもよい。例えば、出口のＮは（Ｎ−１）＋Δで表されてもよく、式中、Δは、任意の事前に定義された数または所望の数である一定のギャップを定義してもよいが、好ましくは、１から３である。図９Ｄは例を示し、Δ＝１である。
【０１４３】
光ファイバの数は、いかなる好適な数で提供されてもよい。例えば、光ファイバの数は、およそ１，０００〜２，０００の範囲であってもよい。しかしながら、この数字は、所与の用途および所望の分解能によって、より大きくまたはより小さくなる可能性がある。例えば、より大きな数の光ファイバを提供することによって、ドナー材料はより高分解能で退いてもよい。同様に、所与の用途に対してより高分解能が必要とされない場合、光ファイバの数は、それに応じて減らしてもよい。
【０１４４】
加えて、走査システムは、レーザーのパルスが走査速度を定義するように提供されてもよい。例えば、走査速度は、毎秒１００，０００パルスであってもよく、所与の用途により、毎秒１０，０００パルスと７００，０００パルスとの間に及ぶ可能性がある。さらなる代替として、継続的なレーザーには、レーザービームのみが所望の光ファイバの進入ポートに入光する方式で、レーザービームを選択的に遮断する以上の光シャッターを提供してもよい。例えば、光シャッターは、例えば、ドナー材料の表面の方へレーザービームを発信することを意図していない、光ファイバの進入ポートにレーザービームを入光させないために、レーザービームの経路を出入りしてもよい。
【０１４５】
また、シャッター機構には、レーザー光源からのレーザービームが、第１インターフェースに提供される所望の光ファイバのみに入光することが、選択的に可能になるように開閉する開口部が提供される可能性がある。
【０１４６】
よりさらなる代替として、そのようなシャッター機構が、レーザー光源と光ファイバの進入ポートとの中間位置に、および／または光ファイバの退出ポートと基体上に沈着するドナー材料との中間位置に、レーザー光源から別途提供される可能性がある。
【０１４７】
材料加工用のレーザー励起分注システム３０は、図９Ａおよび９Ｂに示すファイバ束を組み込んでもよい。ファイバ束１３６の光ファイバは、ファイバ束の第１インターフェース１６２で、レーザー光源１３４からレーザービーム（例えば、レーザーのパルス化によって生成される）を受信し、ファイバ束１３６の第２インターフェース１６３からレーザービームを発信してもよい。
【０１４８】
さらに、光ファイバは、第１インターフェース１６２に配設される第１端部（例えば、進入ポート１６４）と、第２インターフェース１６３に配設される第２端部（例えば、退出ポート１６６）とを有してもよい。光学素子は、光ファイバによって第２インターフェース１６３から発信されるレーザービームを、基体上に沈着する材料へ方向付けるように提供されてもよい。例えば、図９Ａにおいて光ファイバ束へ提供される光学素子は、例えば、図８Ｅに示す通り、すなわち、多ノズルヘッド３２を提供するために、光ノズルの配列を含んでもよい。加えて、本文脈では、「レーザービーム」は、レーザー光源１３４により生成されるレーザービーム１４０の「パルス化」によって生み出される、複数の光の放射を指してもよい。
【０１４９】
さらに、図９Ａにおいてファイバ束へ提供される光学素子は、沈着する材料上にレーザービームの焦点を合わせ、結果として、例えば、図２Ａに示す通り、沈着する材料を基体上へ放出させてもよい。加えて、光ファイバの各々は、第１インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第１端部に隣接する、第１端部を有する光ファイバのすべてが、第２インターフェースにある光ファイバのうちの別の一つの第２端部に隣接しない、第２端部を有するように配設されてもよい。
【０１５０】
本文脈では、隣接は、互いにすぐ隣である指定の光ファイバ間に位置する、介在する光ファイバの端部がない配置を指す。さらに、隣接しないは、指定の光ファイバ間に位置する、介在する光ファイバの端部が少なくとも一つ存在する配置を指す。好ましくは、介在する光ファイバの数は、１と３との間であってもよい。しかしながら、介在する光ファイバの数は、所与の用途に基づき好適となるように選択されてもよい。
【０１５１】
加えて、レーザー励起分注システムは、プリントヘッド（例えば、多ノズルヘッド３２）が光学素子を含むように提供されてもよく、レーザー光源は、プリントヘッド３２の外部に提供される外部レーザー光源であってもよい。さらに、光ファイバの第１端部は、第１インターフェースにいかなる好適な多角形構成（例えば、長方形、三角形、台形など）で配設されてもよく、光ファイバの第２端部もまた、第２インターフェースに多角形構成で配設されてもよい。
【０１５２】
代替の配置では、光ファイバの第１端部１６４は、第１インターフェース１６２に円形、楕円形および長円形構成のうちの一つで配設されてもよく、光ファイバの第２端部１６６は、第２インターフェース１６２に多角形構成で配設されてもよい。図９Ａを参照のこと。
【０１５３】
加えて、ビーム走査システム１４８は、レーザー光源１３４から出力されるレーザービームを、外部レンズ配列のレンズ素子上へ選択的に連結するために、レーザー光源１３４からのレーザービームを走査するよう提供されてもよい。例えば、図９Ａにおけるファイバ束の第１インターフェース１６２（またはカプラ）には、図８Ｅに示す配置に類似の外部レンズ配列（例えば、図８Ｅの１５０を参照）を提供してもよい。外部レンズ配列は、第１インターフェース１６２にある光ファイバの第１端部１６４の中へ、出力されたレーザービームを発信することによって、それぞれの光ファイバ１６０の中へ出力されたレーザービームを連結してもよい。
【０１５４】
ビーム走査システム１４８はまた、モータ１７２と、モータ１７２へ接続するシャフト１７４と、シャフト１７４の回転軸に対する角度で配向するように、シャフト１７４の端部に取り付けられる反射ミラー１７６とを含んでもよい。この配置により、シャフトが回転することが可能になり、そして、反射ミラー１７６もまた回転させる。結果として、出力されたレーザービームは、順次、第１インターフェース１６２で光ファイバの第１端部１６４の中へ反射されてもよい。さらに、モータ１７２は定速で回転してもよい。走査システム１４８の概略図である、図１０Ａを参照のこと。さらに、走査システムは、図１０Ｂに示す通り、折り返しミラーアセンブリを含んでもよい。さらなる代替として、走査システムは、ガルバノミラーおよび／または共振ミラーが、レーザービームを反射するように提供される、２ミラーシステムを含んでもよい。焦点光学システムは、二つのミラーの上流または下流に提供されてもよい。図１０Ｃおよび１０Ｄを参照のこと。
【０１５５】
加えて、第２インターフェース１６３にある光ファイバの第２端部１６６は、沈着する材料上に焦点が合うように構成される、それぞれのレーザービームの焦点を生成する、光ノズルの対応する配列に接続されてもよい。光ノズルは、図８Ｅに示す１４２に類似する配置の中にあってもよい。また図８Ｅに関して記載する通り、図９Ａの多ノズルヘッド３２に、光ノズルの配列が提供されるとき、光ノズルの各々もまた、第２インターフェース１６３にある光ファイバの第２端部１６６から発信される、それぞれのレーザービームの焦点を合わせる、それぞれの集束素子を含んでもよい。
【０１５６】
さらに、光ファイバの第２端部１６６自体が、レーザービームをドナー材料上へ直接放射することによって、「仮想ノズル」の配列として機能してもよい。
【０１５７】
光ファイバはマルチモード光ファイバであってもよい。例えば、マルチモード光ファイバの各々は、少なくとも２５μｍのコア径、および少なくとも６５μｍのクラッド径を有してもよい。加えて、光ノズルの配列は、レーザー光源から出力されたレーザービームが、第１インターフェース１６２にある光ファイバの第１端部１６４の中へ連結されるとき、連続放射されるレーザービームが、光ノズルの配列のうちの隣接しない光ノズルから放射されるように配設されてもよい。
【０１５８】
本文脈では、隣接しないは、指定のノズル間に位置する、介在するノズルが少なくとも一つ存在する配置を指す。
【０１５９】
さらに、９Ａのファイバ束は、光ノズルのそれぞれの配列を有する、複数の離れたプリントヘッドの中に提供され、組み込まれてもよい（すなわち、ファイバ束が対応するプリントヘッド３２へ接続する、図８Ｄに示す配置に類似する様式で）。
【０１６０】
加えて、ドナー材料をレシーバ基体上に分注する方法を提供する。例えば、方法は、レーザービームをレーザー光源から出力することと、ファイバ束の第１インターフェースでレーザービームを受信し、ファイバ束の第２インターフェースからレーザービームを発信する光ファイバを有する、ファイバ束を提供することと、光ファイバの第１端部を第１インターフェースに配設し、光ファイバの第２端部を第２インターフェースに配設することとを含んでもよい。図２Ａに示すシステムの中へ組み込まれるとき、図９Ａのファイバ束によって、光学素子がレーザービームの焦点をドナー材料上に合わせてもよい、好ましい配置が提供され、それによって、ドナー材料の液滴を放出させ、レシーバ基体上へ沈着させる。レーザービームは、焦点を合わせたレーザービームからドナー材料により吸収されるエネルギーによって、ドナー材料の液滴を放出させるような所定の強度で、ドナー材料上に焦点を合わせてもよい。結果として、ドナー材料の連続する液滴の各々は、隣接しない順序で放出されてもよい。
【０１６１】
レーザービームは、光透過層を通ってドナー材料上に焦点を合わせてもよく、焦点を合わせたレーザービームのうち、連続放射されるレーザービームの各々は、液滴を隣接させずに放出させるために、隣接しない順序で光ファイバの第２端部から放射されてもよい。図１０に示すのは、回転ミラーシステムが用いられる、本開示の実施形態における、走査システム１４８である。これらの実施形態は、丸い（例えば、円形、楕円形、長円形など）多ポート光カプラが用いられる構成において、特に有用である。これらの実施形態では、システム１４８は、限定するものではないが、ＤＣまたはＡＣ電気モータなどのモータ１７２を備える。モータ１７２は、集束（または反射）ミラー１７６がシャフト要素１７４へ角度１７８で取り付けられる、シャフト要素１７４を回転させる。回転子１７２によるシャフト要素１７４の回転１８０の際には、集束ミラー１７６もまた回転し、順次、光ビーム１４０の焦点を束１３６の進入ポート１６４上へ合わせる（または反射する）。
【０１６２】
丸い（例えば、円形、楕円形、長円形など）多ポート光カプラ１６２を有する利点は、長方形カプラと比較して、より効率的に光ビームの入力結合が可能になるため、高処理能力の印刷が促進されることである。この問題をここで説明する。長方形カプラを使用すると、走査システム１４８は、光導波路の進入ポートの各行の最初に加速し、各行の最後で減速する。加速および減速は、通常、定速で進入ポートを走査することが可能になるように、光導波路の進入ポートからのオフセットで実行される。そのような構成では、印刷プロセスは、一時的に各行の最後で中止される。丸い（例えば、円形、楕円形、長円形など）光カプラを用いると、走査システム１４８は、走査サイクルの最後がまた、次の走査サイクルの開始でもあるため、定速で継続的に回転する動きを実施し得る。円形多ポート光カプラのさらなる利点は、そのようなカプラと共に、走査システムが、共振ミラーを含み得ることであり、線形の光学式スキャナより頑強で低価格である。言い換えると、本開示の円形多ポート光カプラは、加速も減速も必要とせず、そのため、印刷の中断または望ましくない「緩和時間」がない。加えて、前述の特徴によって、例えば、共振ミラーの使用が可能になり、同じ速度の線形の光学式スキャナより一層頑強で安価である。
【０１６３】
本開示の一部実施形態では、ファイバは、連続する滴が、ヘッド３２上の隣接しない光ノズルから沈着するように、カプラ１６２へ接続する。これは、カプラ１６２に隣接する進入ポート１６４を有するファイバが、ヘッド３２に隣接しない退出ポートを有するように、束１３６の中のファイバを交差させることによってなされ得る。本実施形態の利点は、ここに説明するように、印刷の処理能力を向上させることである。レーザー励起プリンタが、互いに近いところに二つの液滴を分注するとき、しばしば、液滴が分注されない数ミリ秒の緩和時間を適用する必要がある。そのような緩和時間によって処理能力が低減する。最も新しく沈着された液滴から間隙を介して液滴を沈着させるには、ビームの高加速が必要になるため、この沈着には、通常、緩和時間を利用することができない。隣接する進入ポートが隣接しない退出ポートに対応するため、本実施形態によって、レーザービームの一定の角速度を使用して、互いから間隙を介して液滴を沈着させることが可能になる。
【０１６４】
カプラ１６２を越えるビームの動きに関する代表例として、カプラ１６２が円形で、走査システム１４８が、以下の１組の方程式に従い、ビーム１４０上に回転する動きを付与する構成を考える。
Ｘ（ｔ）＝Ｒｃｏｓ（ωｔ）およびＹ（ｔ）＝Ｒｓｉｎ（ωｔ）
【０１６５】
式中、ＸおよびＹは、ビーム１４０とカプラ１６２との間の交点の直交座標であり、Ｒは、進入ポート１６４とカプラ１６２の中心との間の距離であり、ωは、システム１４８の角速度である。または、より簡単に言うと、Ｒは束の半径であってもよい。レーザー周波数ｆは、方程式ω＝Ｄｆ・ｆ／Ｌを満たすことができ、式中、Ｄｆは、各進入ポート１６４の直径であり、Ｌは、ヘッド３２の長さである。この場合、ヘッド３２の長さ方向の各行は、約Ｎｘ＝Ｌ／Ｄｆの退出ポートを有し、ヘッド３２の幅方向の各列は、約Ｎｙ＝２πＲ／（Ｌ・Ｎｈｅａｄ）の退出ポートを有し、Ｎｈｅａｄは、システム３０におけるヘッドの数である。薄膜の直線速度は、ｆＤｆ２／Ｌに設定され得る。数値例として、走査システム１４８は、約２ｋＨｚの周波数で、カプラ１６２の平面の法線に対して約２０°の角度に位置する、共振ミラーの回転を有すると仮定する。さらに、Ｒは約６０ｍｍであり、システム１４８の焦点距離は約２００ｍｍであり、ビーム１４０の直径は６ｍｍであり、進入ポートの直径Ｄｆは１２５μｍであると仮定する。この場合、分注速度は毎秒１０６滴を上回り得ることが、本発明者によって発見された。
【０１６６】
さらに、図１７Ａに示す通り、次の１組の方程式を満たすように、ファイバ束の入口に円形の動きを提供し得る。
Ｘ（ｔ）＝Ｒｃｏｓ（ωｔ）およびＹ（ｔ）＝Ｒ・ａ・ｓｉｎ（ωｔ）
式中、Ｒは、光ファイバの進入ポートとカプラの中心との間の距離である。
「ａ」は、楕円要素であり、ωは、システムの角速度である。
【０１６７】
加えて、中心からの距離Ｒでのビームの走査速度は、方程式ＶＳ＝ωＲを満たしてもよい。
【０１６８】
さらに、周波数「ｆ」を有するレーザービームの各パルスが、光ファイバの中心に入光してもよいように、方程式ＶＳ＝ｆＤを満たすよう、光ファイバ束の入口にも円形の動きを提供してもよい。「Ｄ」は光ファイバの直径である。
【０１６９】
そのため、システムの角速度は、以下の方程式を満たすように提供されてもよい。
【０１７０】
【数１】
2019523153.tif 000003
【０１７１】
また、図１７Ｂに示す通り、印刷エリアは、幅Ｌｙおよび長さＬｘの概して長方形状によって画定されてもよく、次の１組の方程式を満たすように、ファイバ束の出口に薄膜の動きを提供してもよい。
Ｌｘ＝Ｎｘ．Ｄ
Ｌｙ＝Ｎｙ．Ｄ
Ｎｈｅａｄ＝Ｎｘ．Ｎｙ
式中、ＮＸは、出口にある長さ方向のファイバの数であり、ＮＹは、出口にある幅方向のファイバの数であり、Ｎｈｅａｄは、ファイバの総数である。
【０１７２】
さらに、エリアで印刷を完了させる時間は、下記の式であってもよい。
【０１７３】
【数２】
2019523153.tif 000004
【０１７４】
加えて、薄膜速度は、以下の方程式を満たすように提供されてもよい。
【０１７５】
【数３】
2019523153.tif 000005
【０１７６】
また、角速度は、以下の方程式を満たすように提供されてもよい。
【０１７７】
【数４】
2019523153.tif 000006
【０１７８】
システム３０はまた、複数の照射ヘッドを用いることもでき、各々が光ノズルの配列を備える。ヘッドは、ノズルの二次元配列を形成するように整列することができ、走査システム１４８は、同じヘッドの個別の光ノズル間、および異なるヘッドの配列間の両方に、二次元走査を提供し得る。これらの実施形態は、二次元ノズル配列を形成するように配設される光ノズルの配列１４２を各々が有する、複数のヘッド３２を示す、図１１Ａおよび１１Ｂに示す。この構成の利点は、高処理能力を提供し、二つ以上の材料タイプを分注する際に、より高い柔軟性を提供することである。例えば、各照射ヘッド３２は、異なるドナー材料を提供するコーティングデバイスを伴って取り付けることができ、コントローラは、形成されるパターンまたは物体の層を記述する二次元ビットマップに従って、異なる材料を分注するように、走査システム１４８の動作を制御し得る。ヘッドの配列は、図１１Ａに示す通り、異なるヘッドのノズルが、他方の後ろに並ぶように登録することができ、または代替として、図１１Ｂに示す通りの織り合わせた形式で登録され得る。後者の実施形態の利点は、形成されるパターンの分解能を増加させ、また、配列の長さ方向と概して直角の方向に沿う単一の横の動きで、より多くの行を形成できるため、処理能力も増大することである。
【０１７９】
さらに、図１８に示す通り、光ファイバ束の光ファイバのうちの少なくとも１本は、光検出器へ接続してもよい。そのため、走査システムの精度は、光ファイバ束のうちの光ファイバを、光検出器へ接続することによって保証されてもよい。結果として、レーザー周波数と走査速度との間の整合または一致は、必要であれば、保証され補正され得る。例えば、毎回レーザービームは、光検出器へ接続する少なくとも１本の光ファイバの中へ連結され、例えば、走査システムの光学ミラーの位置は、受信される情報に基づき判定され得る。
【０１８０】
光検出器は、Ｓｉフォトダイオード、光熱センサ、焦電センサ、または光を検出するのに好適ないかなる他のデバイスであってもよい。さらに、減衰器が、光ファイバと光検出器との間に提供され、光検出器により受信されるレーザービームの力を減少するように命令してもよい。
【０１８１】
上の実施形態のいずれでも、レーザービームは、約３００ｎｍから約２０００ｎｍまで、より好ましくは、約８００ｎｍから約１２００ｎｍまでのいずれの波長、例えば、約１０６４ｎｍであることができ、Ｎｄ：ＹＡＧレーザー光源、Ｎｄ：ＹＬＦレーザー光源、Ｎｄ：ＹＶＯ４レーザー光源、Ｎｄ：ＧｄＶＯ４レーザー光源、Ｙｂ：ＹＡＧレーザー光源、Ｅｒ：ＹＡＧレーザー光源、Ｅｒ：Ｃｒ：ＹＳＧＧレーザー光源、Ｅｒ：ＹＳＧＧレーザー光源およびＧｄ：ＷＯ４レーザー光源を含むが、これらに限定されない、いかなるレーザー光源によっても生成され得る。レーザービームは、約２ｎｓから約２００ｎｓまでもしくは約３ｎｓから約８ｎｓまで、または約４ｎｓから約６ｎｓまでのパルス幅、例えば、約５ｎｓで操作され得る。レーザービームのパルスエネルギーは、好ましくは、１００μＪ未満、もしくは８０μＪ未満、または６０μＪ未満、例えば、５０μＪ以下である。パルス繰り返し周波数は、約１０ｋＨｚから約７００ｋＨｚまでであり得る。
【０１８２】
上の実施形態のいずれでも、箔１８用に次の寸法が用いられ得る。幅約２ｃｍから約１０ｃｍまで、ハブ半径（例えば、図７Ａのハブ１１２）０．２ｃｍから約０．５ｃｍまで、長さ約１０ｍから約５００ｍまで、全体厚さ約５０μｍから約１５０μｍまで、熱伝導層の厚さ約１５ｎｍから約２５ｎｍまで、例えば、約２０ｎｍ、パッシベーション層の厚さ約５ｎｍから約１５ｎｍまで、例えば、約１０ｎｍ、保護層の厚さ約５μｍから約１５μｍまで、例えば、約１０μｍ。
【０１８３】
上の実施形態のいずれでも、箔１８の圧延速度は、約１０ｍｍ／ｓから約１０ｍ／ｓまでであり得る。
【０１８４】
本明細書に使用する通り、用語「約」は±１０％を指す。
【０１８５】
単語「例示的」は、「実施例、例または図解として機能を果たす」ことを意味するように、本明細書で使用される。「例示的」と記載するいかなる実施形態も、必ずしも他の実施形態でも好ましい、もしくは有利であると解釈されるわけではなく、および／または特徴の組み込みを他の実施形態から除外するわけでもない。
【０１８６】
単語「任意で」は、「一部の実施形態では提供され、他の実施形態では提供されない」ことを意味するように使用される。本開示のある特定のいかなる実施形態も、そのような特徴が矛盾しない限り、複数の「任意の」特徴を含んでもよい。
【０１８７】
用語「備える」、「備え」、「含む」、「含み」、「有し」およびそれらの活用形は、「含むが限定されない」ことを意味する。
【０１８８】
用語「から成り」は、「含み、限定する」ことを意味する。
【０１８９】
用語「から本質的に成る」は、組成、方法または構造が、追加の原料、ステップおよび／または部品を含んでもよいが、追加の原料、ステップおよび／または部品が、特許請求される組成、方法または構造の基本および新規の特徴を実質的に変えない場合に限ることを意味する。
【０１９０】
本明細書に使用する通り、単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈でそうではないと明確に指示していない限り、複数形の参照物を含む。例えば、用語「化合物」または「少なくとも一つの化合物」は、それらの混合物を含む、複数の化合物を含んでもよい。
【０１９１】
本出願全体に渡って、本開示の様々な実施形態は、範囲形式で提示されてもよい。範囲形式の記載は、単に便宜および簡潔さのためであり、本開示の範囲上の柔軟性のない限定として解釈されるべきではないことは、理解されるべきである。それに応じて、範囲の記載は、その範囲内にある個別の数値だけでなく、可能性のあるすべての部分的な範囲も具体的に開示しているとみなされるべきである。例えば、１から６までなどの範囲の記載は、例えば、１、２、３、４、５および６といったその範囲内の個別の数字だけでなく、例えば、１から３まで、１から４まで、１から５まで、２から４まで、２から６まで、３から６までなどの部分的な範囲も具体的に開示していたとみなされるべきである。これは範囲の広がりに関わらず適用される。
【０１９２】
数値範囲を本明細書に示すときはいつでも、示す範囲内のいずれの言及する数字（分数または整数）を含むことを意味する。第１に示した数字と第２に示した数字と「の間に及び／及ぶ」、および第１に示した数字「から」第２に示した数字「にまで及び／及ぶ」という語句は、本明細書では互換的に使用され、第１および第２に示した数字、ならびにそれらの間のすべての分数および整数を含むことを意味する。
【０１９３】
明確にするために、別個の実施形態の文脈に記載する、本開示のある特徴もまた、単一の実施形態において組み合わせて提供されてもよいことは理解される。反対に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈に記載する、本開示の様々な特徴もまた、別途、もしくはいかなる好適な部分的組み合わせで、または本開示の記載するいかなる他の実施形態において好適なように提供されてもよい。様々な実施形態の文脈で記載するある特徴は、実施形態がそれらの要素なしでも動作する限り、それらの実施形態の必須な特徴とみなさないものとする。
【０１９４】
上記に描写し、下の特許請求の範囲部分に主張する通りの本開示の様々な実施形態および特徴は、下記の実施例に裏付けを見出す。
【実施例】
【０１９５】
上の記載と共に、非限定的に本開示の一部実施形態を図示する、下記の実施例をここで参照する。
【０１９６】
本開示の一部実施形態に従う印刷シナリオを、図１２のフローチャート図に示す。レーザー励起分注システムを据え付けたらすぐに、カートリッジアセンブリをシステム上に取り付ける。ドナー材料がコーティングデバイスの中へ充填され、その後、コーティングデバイスがシステム上（例えば、カートリッジアセンブリ上）に取り付けられる。代替として、コーティングデバイスは、例えば、レーザー分注システムの操作者が、コーティングデバイスを充填する必要なしに、コーティングデバイスをシステム内に取り付けてもよいように、ドナー材料で事前に充填されてもよい。印刷計画がコンピュータによって設定され、印刷プロセスが開始する。コーティングデバイスが空になるとすぐに、追加のドナー材料がコーティングデバイスの中へ装填されるか、またはコーティングデバイスが充填されたコーティングデバイスと交換される。箔の端部に到達するとすぐに、新しいカートリッジアセンブリがシステム上に取り付けられる。図１３Ａおよび１３Ｂは、本開示の一部実施形態に従う、試作品のコーティングデバイスの好ましい設計の側面図（図１３Ａ）および上面図（図１３Ｂ）の図解である。試作品のコーティングデバイスは、圧力管が印加する圧力によって制御される、ディスペンサを含む。ディスペンサは、ドナー材料が通って箔へ塗布する、分注ノズルを有する。箔とノズルの出口ポートとの間の縦の距離を、ｈ１と表す。試作品のコーティングデバイスはまた、塗布されるドナー材料を平らにする、ブレードも含む。ブレードと箔との間の縦の距離（故に、箔上のドナー材料層の厚さ）を、ｈ２と表す。箔の線速度をｖ１と表す。箔の幅をＤ１と表す。平らにする前の箔上におけるドナー材料層の幅（概してノズルの直径に対応する）を、Ｄ２と表す。ブレードにより一度広げられた箔上におけるドナー材料層の幅を、Ｄ３と表す。量ｈ１、ｈ２、Ｄ２およびＤ３は、関係Ｄ２・ｈ１＝Ｄ３・ｈ２を満たし、分注されるドナー材料の体積は、Ｄ３・ｈ２・ｖと等しい。ドナー材料層の幅Ｄ３は、そのため、ｈ１の審査による選択によって選択され得る。例えば、Ｄ３＝１５±２ｍｍの値は、ｈ１＝１．５±０．２ｍｍ、ｈ２＝２０μｍおよびＤ２＝２００μｍを選択することによって実現し得る。箔の動く速度が１０ｍｍ／ｓのとき、この場合に分注されるドナー材料の体積は、３μｌ／ｓである。
【０１９７】
また、ブレードまたはロッドの代替物が、箔１８へ塗布されるコーティング材料を平らにするのに使用されてもよい。ロッドは、１対の円筒形端部によって画定されてもよく、より小さい直径の接続円筒形部を中間に間置して、１対の円筒形端部を接続する。円筒形端部の中心軸および接続円筒形部は、互いに整列してもよい。ロッドの構造によって、コーティング材料を、箔の表面上で容易に平らにすることが可能になる。図１３Ｃおよび１３Ｄを参照のこと。
【０１９８】
また、平滑化デバイス７０が、いかなる好適な形態でも提供され得ることは理解されるべきである。例えば、平滑化デバイスは、コーティングを広げるために回転できるローラーとして、またはそのため、表面に形成される複数の切り取り部を有するロッドとして提供されてもよい。複数の切り取り部が提供されるとき（図１３Ｅを参照）、ロッドは、異なるコーティングの間で混合するのを避けながら、複数の異なるタイプのコーティングを広げる／平らにすることができてもよい。さらに、形態にかかわらず、平滑化デバイスは、固定（または静止）されてもよく、および／または移動可能であってもよい（例えば、並進および／または回転できる）。
【０１９９】
図１６Ａおよび１６Ｂは、印刷システムの中へ組み込まれている、図９Ａの光ファイバ束の非限定的実施形態を示す。図１６Ａは、プリントヘッドを制御するように、ドライバと連動するコンピュータを示す。プリントヘッドは、本開示の光ファイバ束を使用することによって、ドライバから切り離されてもよく、それによって、プリントヘッドのサイズを最小化する。
【０２００】
図１６Ｂに示す通り、光ファイバ束は、第１インターフェース（例えば、光ファイバ束入口）でドライバへ連結してもよく、第２インターフェース（例えば、光ファイバ束出口）でプリントヘッドへ連結してもよい。焦点光学素子およびコーティングされたドナー薄膜もまた、プリントヘッド上に提供されてもよい。加えて、小型のプリントヘッドを提供するために、光ファイバ束の配置によって、走査システム、走査光学素子、レーザーおよび他の構成要素を、ドライバの中に別途提供することが可能になり、それによって、プリントヘッドのサイズを最小化することが可能になる。ドライバは、コンピュータとプリントヘッドとの間で連動し、レーザー、電気光学システム、走査システムおよび焦点光学システムを制御するために、いかなる必要なハードウェアならびに／またはソフトウェアを含んでもよい。さらに、焦点光学システムは、いかなる数のレンズ、ミラーおよびいかなる所与の収束動作に好適な他の光学構成要素を含み得る。
【０２０１】
加えて、マイクロレンズ配列板の形態である焦点光学素子が、光ビームの焦点を箔上に合わせる「仮想ノズル」配列を提供するために、ファイバ束の第２インターフェースに提供されてもよい。例えば、図９Ｅを参照のこと。
【０２０２】
また、光ファイバ束の出口にある焦点光学素子は、画像を反転させるように提供されてもよく、例えば、焦点光学素子の第１インターフェースのある位置に入光する光ビームは、第１点の反転である、焦点光学素子の第２インターフェースのある位置で、光ビームが退出するような経路に沿って方向付けられ得る。例えば、図９Ｆを参照のこと。さらに、焦点光学素子は、いかなる所望の経路に沿って、第１インターフェースの位置に入光する光ビームに、例えば、所望される配置のように生み出すよう指示するように構成される可能性がある。
【０２０３】
本開示について、本開示の特定の実施形態と併せて記載してきたものの、多くの代替物、改変物および変形物が、当業者に明らかであろうことは確かである。それに応じて、添付の特許請求の精神および広い範囲に含まれる、すべてのそのような代替物、改変物および変形物を受け入れることが意図されている。
【０２０４】
本明細書で言及したすべての出版物、特許および特許出願は、本明細書で参照することにより、各個別の出版物、特許または特許出願が、具体的かつ個々に、参照することにより本明細書に援用されるように示されるかのように、同程度まで本明細書に援用される。加えて、本明細書の中のいかなる参照の引用または特定は、そのような参照が、本開示の先行技術として利用可能であるという了解として解釈されるべきではない。節の見出しは、使用する範囲において、必ずしも限定として解釈されるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５−１】
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【図５−２】
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【図５−３】
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【図５−４】
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【図６】
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【図７】
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【図８−１】
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【図８−２】
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【図８−３】
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【図９−１】
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【図９−２】
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【図９−３】
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【図９−４】
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【図９−５】
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【図９−６】
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【図１０−１】
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【図１０−２】
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【図１０−３】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３−１】
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【図１３−２】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６−１】
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【図１６−２】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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